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1 トリリオンノード エンジン が創る オープンイノベーション プラットフォーム ーみんなで作る IoT/CPS の未来ー 2019 年東京大学生産技術研究所教授桜井貴康 トリリオンノード 検索 本研究開発の成果の一部は 国立研究開発法人新エネルギー 産業技術総合開発機構 (NEDO) 委託事業 IoT 推進のための横断技術開発プロジェクト の結果得られたものです テーマ トリリオンノード エンジンの研究開発 1

2 トリリオンノード エンジン 超小型 (2cm 各程度 ) 電池動作可能 オープンソース ハードウェア / ソフトウェア 従来 トリリオンノード エンジン メイカーズを巻き込みながら IoT 市場を発展 拡大 企業が IoT 市場にアクセスする際の短工期化 ローコスト化を達成 産業力強化を図る 2

3 IoT: 物のインターネット IoT 端末数 兆個 = 100 万個 x 100 万種類 年 年に世界のIoT 端末 500 億個 2030 年に1 兆個越え農業 医療 産業用機器 民生機器 クルマなどに波及 3 兆ドルの産業 3

4 実空間アプリ / サービスは多種多様 アプリケーション当りの数量 仮想空間アプリ 実空間アプリ アプリケーションの種類 従来の企業の枠 個々人の生活の中でのアイデア活用の仕組み多品種小中量生産を含む 従来の集積技術では非効率 The Long Tail, by Chris Anderson, Hyperion; Revised edition (July 11, 2006) Courtesy: Masao Nakaya (STARC) 4

5 IoT ノードを支えるエレクトロニクス エネルギー電池 無線給電自然エネルギー 電源 アクチュエータパワエレモータ スピーカディスプレイ超音波など アナログ デジタル 無線 センサ位置 時刻 温度 イメージ音 ケミカル菌 バイタル磁気 圧力など ソフトウェアだけでは対応できない多様性 チップだけが問題ではない 無線規格 4G WiFi Bluetooth Zigbee 特殊無線 有線 周波数 方式 電力 5

6 新たな集積技術 :Next-Level Integration 1 億個 市場規模 1 個 100 個 1 万個 100 万個 新たな集積システム技術 従来型集積回路技術 多様性を許容するシステム志向の集積エレクトロニクスのプラットフォーム 時間 6

7 Arduino 無線給電の実験 : 年 2 週間 7

8 IoT/CPSに適したプラットフォーム オープン イノベーションのプラットフォーム IoT市場の拡大 オープンモデル メイカーズ IoT市場 IoT市場アクセスの短期化 容易化 プレミアムモデル エンジニア 1/100の体積 電池でも動作 再構成可 プロトタイピング 企業 量産発注 メイカーズを巻き込みながら IoT市場を発展 拡大 ユースケースに近い形で実証可 企業がIoT市場にアクセスする際の短工期化 ローコスト化を達成 産業力強化を図る 8

9 トリリオンノード エンジンの概要 9

10 技術をサービスまでお届けするプラットフォーム アプリ / サービス ニーズ トリリオンノード エンジンプラットフォーム ( ハード ソフト ) シーズ 優れた IoT エレクトロニクス関連テクノロジー 10

11 技術をサービスまでお届けするプラットフォーム ニーズ アプリ / サービス ( 社会課題を解く 産業を育てる ) 課題先進国日本 トリリオンノード エンジンプラットフォーム ( ハード ソフト ) シーズ 日本の優れた IoT エレクトロニクス関連テクノロジー 11

12 トリリオンノード エンジンの特徴 トリリオンノード エンジン 拡張性 開発容易性 価格 信頼性 オープン性 小型 電池 特徴 信頼性が高く最終製品に組み込めるのが特長 Arduino 最も普及している基準製品信頼性がネック Mbed 物理的な規格なく I/O の相互接続不能 ソフト蓄積少 LittleBits TinyDuino 初等教育向けで低機能信頼性は Arduino より更に低い 小型のプラットフォームだが オープン性と低電力性 組立性に難 RaspberryPi ハードウェアはオープンではない Linux で低電力は困難 フルカスタム自作基板 現状での最終製品化の唯一の選択肢 小型 低電力でオープン 12

13 小型化のためのコネクト技術 不安定 低信頼 堅牢性向上のため コネクタとねじ止めを同時に行うとハンダにクラック異方性導電ゴムを利用したコネクト方式 13

14 トリリオンノード エンジンハードウェアの仕組み スペーサを入れれば高さも自由 大きさ自由層数自由高さ自由どこでもできる設計ルールどこでも誰でも作れる技術 この部分のみ電気的 / 形状的定義 Ex. 29 ピン ソフトウェア :Arduino pro コンパチ ホルダー 異方性導電ゴム スペーサ ナット 14

15 リーフコネクタ電気的特性 はんだを使わないコネクション方式 異方性導電ゴムコネクタ 0.5mm ピッチ接続可 信号伝達ロス 直流特性 :500mA/pin 周波数特性 :500MHz まで 1dB 以下のロス 500MHz 3 回測定 100 回の組立直し 抵抗がスペック内 抵抗値 (Ω) 組立回数に伴う抵抗値変化 スペック 組立回数 1 枚目から 4 枚目までの伝達特性赤 : コネクタ中央青 : コネクタ中央 ( 組みなおし ) 黄 : コネクタ端 15

16 ハードウェアの展開 標準 細長にも 大型にも 平置きにも フレキシブルにも 16

17 リーフ接続例 平置き例 ( フレキ接続 ) 積層接続 平置き例の応用 熱圧着技術を使えばこんなに薄く 17

18 ハードウェア / ソフトウェア 5.0V 3.3V 化スタンバイモードを付加 ソフトで活用リーフ単位で消費電力測定可能 ( 電流測定リーフを使用 ) Leaf 送信時の電流 [ma] 待機時の消費電流 [ma] AVR(μP) BLE Sensor USB 合計 電池寿命 低電力化 システム太陽電池などのエネハベ利用電池には Standby-ready の A/D 適材適所の通信 (BLE Wi-Fi LoRa LPWA など ) の充実 モジュール化されているので 低電力化の短 TAT 達成可能 対策前 ハード ソフトによる低電力化 約 3 日 Leaf 電池は CR2540(610mAHr) 60 分に 30 秒だけ活性化すると仮定 送信時の電流 [ma] 対策後 待機時の電流 [ma] AVR(μP) BLE Sensor USB 合計 約 1 年 18

19 CPU と通信の性能向上 マイコン性能の向上 8-bit MCU (ATmega328) Arduino pro mini コンパチ 通信規格選択性の向上 Bluetooth ( 通信距離 ~ 数 m) WiFi ( 通信距離 ~ 数 10m) 32-bit MCU (ARM Cortex-M0) Arduino M0 コンパチ LoRa ( 通信距離 ~ 数 km) LPWA ( キャリア系基地局 ) クロック周波数 (16MHz 48MHz) フラッシュメモリ (32KB 256KB) SRAM(2KB 32KB) 今後も新しい規格に対応予定 19

20 LoRa リーフのドローンへの活用例 JASA & MCPC ドローン 石川県手取川 20

21 キャリアの基地局につながる最先端無線技術 KDDI による LTE-M LPWA 21

22 24 種類のリーフ Communication Voltage Supply Wi-Fi BLE LoRa CR2032 CR2450 2~4.5V Solar AA BAT Miscellaneous Processor I/O USB RTC& MicroSD GPS AVR ARM M0 Extender SP& Sensors PIR MIC&VR &LED LCD Leaf x2 Leaf B2B 29pin Spacer I Meas. Grove&5V 22

23 トリリオンノード エンジンの利用シーン 23

24 トリリオンノード エンジンの利用シーン 企業開発時の Proof of concept 社内実証実験自社の開発製造を支援するツールの製作機能 部品の変更が想定される市場の攻略に自社部品などの販売支援 ( リーフに載せてデモ リーフに載せてデザインイン狙う ) 顧客と会話を始めるためのツール企業間 企業内でアイデアなどを出し合いビジネスにつなげるためのツール企業人材教育技術の再利用 伝承のためのプラットフォーム メーカーズ 開発時の Proof of Concept 自分の開発製造を支援するツールの製作 教育やセミナー素材 教育機関 IT 教育ツール 研究 実験システムなどの短期開発 一般家庭 中学 高校生の IT 教育ツール 玩具 24

25 構造物ヘルスケア IT 農業など 各種の形状も可能 フレキ ( 国総研資料第 748 号 ) 25

26 パワエレやウェアラブルにも 給電シートを IoT ノードに スマート パワエレで IoT 化 筋電測定シートで自動車の快適度などを計測 スマート ガジェットの試作 "1um-Thickness 64-Channel Surface Electromyogram Measurement Sheet with 2V Organic Transistors for Prosthetic Hand Control, ISSCC, paper#6.4,

27 小型化でデモなどでユーザにアピール 慶應義塾大学 石黒先生 : 人の呼気向け水素センサー端末 (JST ナノエレ CREST の成果 ) Cypress プラットフォームが小型のため採用を検討するも拡張性がないため断念 トリリオンノード エンジンでセンサリーフのみおこし デモ完成 27

28 教育用途とか デバイスとソフトウェアの関係を知るには好適 28

29 大学での IT 教育で enpit 参加の埼玉大学後藤祐一准教授 安積卓也准教授 トリリオンノード エンジンを使った授業わかりやすい教材を自作 Swift と Sketch を使って 4 つのセンサデータを iphone に表示 29

30 よくある IoT 8 個のトリリオンノード エンジンから BLE でデータ取得 30

31 色々なセンサが使えます Grove コネクタで拡張性は無限 31

32 人感アラーム 子供が冷蔵庫に近づくと伝言が鳴る? 32

33 カメラも使えます 画像を扱うにはまだ性能不足で 今後 2 年で大幅改良 33

34 太陽電池リーフのデモ 昼は充電 夜は電池で 34

35 オープン イノベーションの場 ( メイカーズ向け ) Akiba Electronics Lab. 今後の予定会員制工房の運営メイカーズ向け技術教育事業基板製造から 筐体への組み込みまで 100~1,000 個の超多品種小量生産受託事業応用の個別事業 / メイカーズ ギルドの構築 電子測定エリア 製品製造エリア 35

36 国際的コラボ : ダッカ大学で教育研究に使用 36

37 連携 トリリオンノード研究会インフラ系 プラント系 システム系 通信キャリア商社 電機 部品 実装系など ( キットを貸与しハンズオンでご評価頂く ) MCPC(Mobile Computing Promotion Consortium) 連携団体 ナノコン WG 設立 用途検討など開始その他コンソーシアムなど EHC( エネハベ デモ講演 ) JASA( ソフトウェア デモ講演 ) 商工中金上野支店 ( 商社などへのデモ / 講演 ) 教育研究機関 enpit( 埼玉大学 / 授業 ) 慶應大学 ( センサデモ / 授業 ) ダッカ大学 ( 授業 / 論文 ) 奈良高専 ( 研究 ) 理化学研究所 ( 研究 / デモ ) 東大生研デザインラボ ( 研究 ) イベント / 学会 IoT/M2M 展 ワイヤレスジャパン JPCA ショウ 電子デバイス産業新聞 JIEP ワークショップ CEATEC IEEE CPMT シンポジウム MES など 37

38 トリリオンノード研究会 ( 企業 法人向け ) インフラ系 プラント系 システム系 通信キャリア 商社 総合電機 半導体 部品 実装系など ( 次回のトリリオンノード研究会は 2019 年夏 ) 年 2 回開催参加費 75,000 円 早期に詳細情報にアクセスプロトタイプ版リーフを 1 セット配布 ハンズオンで評価研究開発の方向性に影響を 38

39 今後の概略 2016 年度 2017 年度 2018 年度 2019 年度 2020 年度それ以降 NEDO プロジェクト オープン / 頒布 前半 高信頼化低電力化リーフ追加普及活動 後半高性能化 高機能化 低電力化 ( 倍ピン化 CPU 増強 画像対応等 ) 倍ピン化 ( 予定 ) (Upward コンパチ ) トリリオンノード研究会 第 1 次オープン 頒布開始 第 2 次オープン 第 2 次頒布開始 Basic と Edutainment キットを頒布開始研究会メンバーに希望セット数の調査をしてから一般頒布 ロゴ例 39

40 トリリオンノード研究会参加企業 ( エクセル降べき並び替え順 ) 40