3　海洋計測の新潮流

従来、海洋環境に関する計測は主に海洋研究船など、設備の整った船舶を用いて行われてきた。CTDプロファイラなどの計測装置類も船上からウインチを使用して海中に投入されるのが一般的である。しかしこの方法では計測点に限りがあるうえ、天候にも左右されやすく、多大なコストも必要となる。さらに近年では海洋計測活動によって排出される二酸化炭素等の排出削減も求められるようになってきた。一方でより高度化したサイエンスの現場からは、より広く、深く、高頻度な海洋計測が要求され、また目的の多様化に伴い、計測項目も多様化してきた。
そこで注目されているのが、自律型のプラットフォームを用いた海洋計測である。例えば小型の自動浮沈漂流ブイ「アルゴフロート」を用いたアルゴ計画では、現在4,000台近いフロートが世界の海に分散して水温・塩分などの計測をおこなっている³⁾。さらに自由に移動できるプラットフォームとして、近年海上保安庁でも採用されている自律航走型海洋プラットフォーム⁴⁾、海中を昇降しながら移動する海中グライダー⁵⁾、そして海中を自由に移動できる自律型海中ロボット⁶⁾が新たな海洋計測の牽引役となっている。このような現状において、プラットフォーム技術開発には小型化・省電力化とそれに伴う低コスト化、低環境負荷を指向した展開が期待されている。プラットフォームが小型になると、当然ながら大型の機器は搭載できなくなる。そこで求められるのが海中で使用されるセンサ、分析装置の小型化である。

3.1　現場分析装置の小型化とマイクロ流体技術

例えば、海水に溶解した二酸化炭素の動態を把握する上で重要なパラメタである海水の水素イオン指数（pH）などの計測では、海中において長期間安定した計測を可能にする様に均圧構造をもたせた小型ガラス電極が実現され、センサシステム全体に耐圧性を付与した上で改良を繰り返しながら用いられてきている⁷⁾。また近年ではISFET（イオン感応性電界効果型トランジスタ）を用いることで、さらに小型・堅牢でpH変動に対する応答のよいpHセンサが実用化されている⁸⁾。 この様に、陸上で使用可能なセンサデバイスは、防水、耐圧などの対策を施すことで海中の環境計測に適用可能なものもある。
一方で、例えば試薬とサンプルの混合とそれに続く化学・生化学反応を用いた複雑な分析操作が必要となる微量金属イオン濃度や生体関連物質濃度などについては、小型のセンサデバイスを用いた計測は困難であった。そこで、試薬や海水サンプルの送液に必要なポンプ、加熱混合のための反応容器やヒータ、反応産物の検出・定量等を行う光学系等の機能要素を集積化した、小型の現場分析装置を実現するために応用されはじめているのがマイクロ流体技術である。従来型のトップダウン式の微細加工技術に加え、ボトムアップ的なマイクロマシン技術、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用することによって、微小な反応容器やマイクロポンプなどを集積化した「マイクロ流体デバイス」を中核とした分析装置の実現が期待されている。
2000年代から本格的に研究開発規模が拡大したマイクロ流体デバイス、またはその応用によって実現された装置システムは、マイクロ流体システム、Lab-on-a-Chip、またはmicroTAS (Total Analysis Systems)などと呼ばれ、主に医療診断、創薬、細胞生物学等の分野で応用されている⁹⁾。我々はこれまで、マイクロ流体システムによる新たな海洋計測の実現を目指して研究開発を展開してきた¹⁰⁾（図2）。

3.2　マイクロ流体システムによる海洋計測

我が国近海の深海底に点在する海底熱水鉱床は、新たな鉱物資源として期待されている。海水中の鉄やマンガン等の金属イオンは、熱水噴出を伴う活動的な鉱床を探索するためのトレーサーとして用いることができる。そこで我々はマイクロ流体システムを用いて、触媒金属イオンの濃度に比例した発光強度が得られるルミノール反応を原理とした、マンガンイオンの現場定量分析装置を開発した。
この装置の中核は、フォトファブリケーションプロセスによってマイクロ流路が形成された透明シリコーンゴム（PDMS:Polydimethylsiloxane）製のマイクロ流体デバイスである。数センチメートル角のデバイス内に、溶液切り替えのためのマイクロバルブ、流量レギュレータ、試薬混合のためのミキサが集積化されており、中心部には光検出のために2次元的に展開されたマイクロ流路が配置されている（図3）。

これにマイクロポンプと小型熱式流量センサからなる送液系、そして耐圧容器に格納されたPMT（Photomultiplier Tube）を組み合わせることで、µM（マイクロモル/リットル）以下レベルのマンガンイオンを検出できる装置を完成させた。その装置を海洋研究開発機構の無人探査機「ハイパードルフィン」に搭載して、沖縄本島沖合の水深約500mの深海底で探査を行った結果、マンガンイオン濃度の異常を現場で検出することに成功し、新たな規熱水活動サイトの発見に貢献することができた¹¹⁾。
同様に、生化学反応の一種であるルシフェリン・ルシフェラーゼ反応による微弱光を検出することで、微生物の生物量の指標であるATP（Adenosine Triphosphate:アデノシン3リン酸）の濃度を現場計測できる装置も開発された（図4）^12）。現在は深海域での微生物量分布の可視化と資源探査や資源開発に関わる環境影響評価への応用に向けて、実海域評価を繰り返しながら改良を進めている。図5では、海面付近ではATP濃度が高く、海底付近では低くなることが示されている。また、水深200m程度の深海底においてATP濃度の現場計測の結果が、採水サンプルの船上分析結果とよく一致していることが示されている。

さらに複雑な生化学分析操作が遺伝子解析である。特に微生物やウイルスなど目に見えない生物の検出や群集構造解析には遺伝子解析が有効である。そこで、東京大学生産技術研究所では、1ミリリットル程度の海水サンプルを対象として、微生物細胞の破砕から遺伝子の精製、PCR(Polymerase Chain Reaction)による遺伝子の高感度検出までを海中の現場で行うことができるマイクロ流体システムを構築し、深海域にて評価を行っている。その結果、現場に生息する微生物に由来する遺伝子の増幅産物を確認することができた^13）。
ここに示したように、マイクロ流体技術を用いることで、複雑な化学・生化学分析操作を海中の現場に持ち込んで行うことが可能になる。他にも、英国立海洋学センターおよびサザンプトン大学のグループなどでは植物プランクトンの増殖に欠かせない栄養塩濃度などを現場計測できるマイクロ流体システムを開発し、小型の海中グライダーに搭載して自動計測に成功するなど^14）新たな海洋計測の実現に向けた研究開発が加速している。

3.3　マルチスケール流体システムへ

SDGs（Sustainable Development Goals:持続可能な開発目標）の一つに「海の豊かさを守ろう」が掲げられた今、生物資源に関連する海洋計測で注目を集めているのが環境DNAである。光学的な見通しの効かない海中に生息する生物は小さな微生物でなくとも可視化が困難で、身近な漁獲対象種についてさえ、生態や資源量など不明な点が多い。そこで、環境中に放出された海洋生物由来の細胞や排泄物に含まれる「環境DNA」を採取し分析することで、これまでにない感度と精度で海中生物の動態を明らかにすることが可能になってきている¹⁵⁾。
しかし、環境DNAはしばしばその環境水中の濃度が低く、サンプル量としては時に1リットル以上の海水を濾過・濃縮処理する必要がある。また、近年クローズアップされている環境問題に海洋プラスチック問題があるが、これも分析対象とするプラスチックのサイズによっては数十〜数百リットル、さらにそれ以上の海水を濾過して採取することが必要になる。
そこで我々は、大量の環境水サンプルの処理と、微量の液体を扱い分析するマイクロ流体システムのインターフェースとなる流体技術の開発が重要であると考えている。具体的には、数リットル以上の海水に含まれる分析対象を、ミリリットルオーダーへ、そしてマイクロリットルオーダーへとスケールダウンすることが求められる。これは、既存のマイクロ流体技術のみでは効率的に実現することができない。また、複数サンプルを並列または連続的に処理する場合、サンプル同士のクロスコンタミネーション（汚染）の防止が必須である。
そこで現在我々は、主に環境DNA分析をターゲットとして、数リットルの海水から数マイクロリットルレベルの液量を扱うPCRによる遺伝子検出までを完全自動化可能な現場型装置の開発を進めている。ここでは、3Dプリンタを用いて構築した流体制御系とマイクロ流体デバイスを組み合わせることで、汚染のないクリーンな採水と、サンプル濃縮と処理、遺伝子検出までのマルチスケールな流体制御が可能な装置システムの構築を進めている。
3Dプリンタを用いた流体システム構築の利点はミリメートル以下の微細な構造から、数十センチメートルオーダーのマクロな構造までを一度のプロセスで製作できることにある。また、MEMSプロセスでは得られるマイクロ構造が原則2次元的であるため、デバイスの設計や機能要素の配置に制約が生じうるが、3次元的な構造製作が可能な3Dプリンタ技術を用いることで、これまでより複雑な流体システムを実現することが可能である¹⁶⁾。
微少流体を対象とし、特定用途に特化したマイクロ流体システムから、現場での実用性と多様な実ミッションへの対応可能性が付与されたマルチスケール流体システムへと進化を遂げることで、新たな海洋計測の時代が始まろうとしている。

【著者紹介】
福場　辰洋（ふくば　たつひろ）
国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）　副主任研究員　博士（工学）
東京大学生産技術研究所　特任准教授

■略歴
平成13年 3月　広島大学大学院博士課程（前期）修了　修士（農学）
平成15年 4月　日本学術振興会　特別研究員
平成16年 3月　東京大学大学院博士課程修了　博士（工学）
平成17年 4月　東京大学生産技術研究所　特任助手
平成19年 4月　同特任助教
平成20年 8月　同特任准教授
平成24年 4月　独立行政法人（現国立研究開発法人）海洋研究開発機構　技術研究員
平成30年11月　東京大学生産技術研究所　特任准教授（兼務）

■受賞歴
平成22年10 月　テクノオーシャンネットワーク(TON) 海のフロンティアを拓く岡村健二賞

3.　ADCPの新技術とその応用

3.1　流向・流速の効率的な計測
水中のより遠い（深い）場所までの流速を一度に計測するためには、低周波の音波を使用する必要がある。近年完成したNortek社Signature55には、独自開発された直径25cmの大型ADCP用ピエゾコンポジット探触子が搭載され、ADCPとしては低周波となる55 kHzと75kHzの音波を発信できる（図2）。長い計測可能距離と計測効率の両立を実現した探触子により高い指向性を発揮し、1000ｍ先までの流速検知能力を持つ。また特筆すべきは、2種類の周波数を交互に発信可能である点である。55kHzを用いて1000mレンジの長距離（高深度）の流速計測を行い、75kHzを用いてより短い計測レンジ内を詳細に計測することが可能で、異なる周波数のADCPを2台必要とする計測を1台で実現できる。Signature55は気候変動に関わる外洋の環境調査の他、近年ではガス・油田プラットフォーム周辺の流況を把握するためにも使用されている。

Nortek社のその他の機器においては、短距離計測用Aquadopp Profiler、係留索に固定して運用する1点計測式流速計Aquadopp、センサ直下のサンプリング領域における流速を最大64Hzで高速に計測可能なVector、多機能型ADCPであるSignatureシリーズがラインアップされている。また、これらの機種には、深海（深度4000mまたは6000m）にて運用を可能にする、専用の内部電子基板とチタン合金製耐圧容器を持つDeep Water（DW）シリーズがオプションとして用意されている。深海では海底直上領域を除いて音波を反射する粒子が少ないため、DWシリーズには粒子から反射される音波を探触子で十分に検知できる専用設計がなされている。本オプションは深層流や海底資源の調査に活用されている。

3.2　海洋乱流の計測への対応
水中における乱流は、構造物に負荷を与え、場合によっては損壊につながることもあるため、水中構造物の維持管理の際には注視すべき現象である。また、気候予測モデルに使用する場合等、水中の運動エネルギーや物質の混合をパラメータ化するためにも計測が必要である。しかしながら、乱流は複雑かつ短時間に変化するため、測定には技術的に多くの困難が伴う。光による可視化手法は有効であるが、光の減衰に伴い検知距離が短くなってしまう。一方で音波はより長い距離を減衰少なく伝搬するため、乱流の複雑な流れを捉えるための良いツールとなり得る。Signatureシリーズは空間・時間の分解能を飛躍的に向上させたことで、挑戦的な乱流研究にも利用されている。
海洋の乱流においては特に鉛直方向（深度方向）の微小な速度変化が重要である。これは、鉛直方向の速度変化によって、異なる性質の海水の混合、運動エネルギーや粒子の交換が行われるためである。鉛直方向流速を詳細に計測可能なSignature1000で可視化された海中の速度分布を図に示す（図3）。狭い領域内において短時間で流速が変化していることを明瞭に見ることができる。

この他、Signatureシリーズ洋上風力発電設備等の水中構造物周辺の流れの監視や防波堤など護岸設備の設計前調査などで使用されている。

3.3　エコーサウンダーの搭載によりバイオマスの把握も可能に
海洋中のバイオマスの分布やその移動を検知することは、持続的漁業をはじめ、海洋の生態系、海流パターン、気候変動の海洋と気象への影響を理解する上で重要である。Nortek社では市場で初めてとなるシングルビーム・広帯域エコーサウンダーを搭載したADCPであるSignature100を2018年に発表した。機器の中央にあるエコーサウンダー専用探触子から、モノクロマティック（70 kHz、90 kHz、120 kHz）または周波数チャープ（90 kHz、50% BW）の音波を発信し、データ間隔は0.375m～4mで設定可能となっている。Nortek独自の音響処理技術を採用しているが、処理前のデータも出力可能で個々の研究ニーズに対応できる。従来、バイオマスの計測や魚・プランクトン等の挙動を知るためには魚群探知機、流れなどの物理環境を調べるにはADCPと、専用の機器をそれぞれ用意する必要があったが、本機器により1台で観測を行うことが可能となった（図4）。

3.4　水中ナビゲーション用DVL（ドップラー速度ログ）
DVLとは、対地速度を計測する超音波センサである。長い波長のパルスを3本以上海底に向けて発信し、ADCPと同様に海底からの反射波のドップラーシフトを計測することで、機器自身の移動速度を算出する（ボトムトラックと呼ばれる）。
DVLが算出する対地速度にはバイアスが発生しないため、長期の水中航行を行う移動体にとって非常に重要なセンサである。長期精度が求められるミッションでは、INS（慣性航法システム）やコンパスなどと接続して運用される。 Nortek社ではADCPの開発で培った技術を応用し、対地速力、対水速力、流速計測を全て実行可能でコンパクトなDVL1000とDVL500を開発した（図5）。これらは沿岸域（水深300m以浅）から高深度（水深最大6000m）の海域で、AUVやROVそしてダイバー用ハンドヘルドナビゲーション機器にまで搭載され、運用されている。

3.5　船舶用スピードログ
スピードログとは、船舶の対水速力を計測するセンサである。得られた対水速力は、操船用の情報の他、運用効率や燃料消費率の計算に用いられる。近年は、EU MRVの新しい規則やIMOのDCS規則に対応することが求められており、対水速力を含めた船舶のパフォーマンスの計測が注目されている。
高精度なスピードログを実現するには、下記の点について計測してデータ補正を行う必要がある。

1) 船体周辺に、船速、喫水、トリムにより動的に変化する流れの場の発生
2) 船体の動揺（傾斜）に伴う計測への影響
3) 船体と同行する流れから対水速度の分離

超音波ドップラー式のNortek Speed Log 500 kHz（NSL500、図5）では、内蔵センサにより水温、センサ水深、傾斜を常時計測している。これらの情報をもとに専用アルゴリズムにより上記の3項目について自動補正を行うことで、対水速度計測の精度を高めている。波浪や気象の影響がある外洋を航行した際において、NSL500は±0.5%の計測精度を実現した。
NSL500は認証 IMO.96(72)/DNV を取得済みであり、DVLの技術を応用した水深200m以浅の対地速力の計測と、ADCPの技術を用いた船体下方向における三次元流速の計測も可能である。内蔵水温計とこの流速データを用いれば、船舶の最適な燃料効率となる航行ルート決定にも利用できる。さらにNSL500は海水中の塩分の影響を受けずに対水速度の計測を行うため、電磁式（EM）スピードログやその他ドップラー式スピードログで注意が必要な塩分に関する各種校正が不要である。DVL同様に出力値の経時変化が発生しないため、再校正の作業も不要となり、より簡便に測定ができる。
高精度な船速の計測と各種内蔵センサのデータを用いて、船舶の状況を船上および陸上から詳細に把握でき、今後は安全で効率的な運航の実現や自動航行船等に活用されることが期待される。

4.　終わりに

ここでは、海洋における流速計測で広く使用されている超音波式流向流速プロファイラー（ADCP）の基本原理とその計測技術を用いたNortek社の新しい種類の超音波ドップラー製品およびその具体的な利用シーンについて紹介した。水の動きを計測するという目的で、長い間地球水圏環境の調査に利用されてきたADCP技術が、近年ではナビゲーション用のセンサへ応用されてきた。今後ますます海洋関連機器の自動化が進む中、いかに精度よく包括的にデータを得られるかが機器開発を行う上での鍵となっていくことが考えられる。

Nortekグループサイト：https://www.nortekgroup.com/

【著者紹介】
國分　祐作（こくぶ　ゆうさく）
Nortekジャパン合同会社　代表

■略歴
2011年　独Leibnitz Institute for Baltic Sea Research 招聘研究員
2012年　JFEアドバンテック株式会社 入社
2014年　東京海洋大学大学院 海洋科学技術研究科 修了 博士（海洋科学）
2017年　Nortekジャパン合同会社 入社
2018年より現職