“创新日本走访”是探访推动社会实际应用的创新研发现场的系列报道。第1回将介绍使用兼具无线电波和光波性质的太赫兹波开发出了可以高精度分拣各种废塑料的装置，并打算通过大学初创企业实现产品化的芝浦工业大学设计工学部田边匡生教授的研究。
可视化太赫兹波
期望用于解决社会课题
14层高的芝浦工业大学丰洲校区大楼耸立于办公楼和高层公寓林立的东京湾区。设计工学部研究室的玻璃隔墙以及设计新颖的课桌椅，这里的学生表情朝气蓬勃。这是一处打破了工学系研究室管道裸露、灰色刻板印象的时尚空间。
芝浦工业大学设计工学部设计工学科田边匡生教授介绍道：“设计工学部还专注于解决社会课题，以支撑城市中的物与事的设计为技术主题，集结材料技术和系统技术等，目标是解决未来的社会课题。废塑料问题就是一个非常重要的社会命题。”
田边先生致力于废塑料问题的契机始于2002年，当时他担任日本东北大学研究生院工学研究科助手，并成功使用半导体晶体激发出了太赫兹波振荡。太赫兹波比手机中使用的千兆赫波高3个数量级，同时具有透射性电波和直进性光波的双重性质（图1）。“使用太赫兹波可以看到肉眼看不见的东西。将其用于解决社会课题是我的种子型研究的起点。”
图1 太赫兹波的特征
与容易被障碍物阻挡、易受衍射和干涉影响的无线电波相比，太赫兹波不容易衍射，且可以穿透金属以外的东西。此外，由于对于塑料而言太赫兹波段的介电常数因材料而异，因此可以利用这个特点进行废塑料的精密识别和分拣。
迄今为止，田边教授反复尝试将太赫兹波用于无损检测电线电缆内部，识别纤维材料的光谱装置。在研究过程中，田边教授证实了太赫兹波的透射吸收率会因为电线被覆材料等塑料的不同种类而异。
通过SCORE项目的研究
确认具有充分的商业可行性
近年来，由废塑料引发的海洋污染等全球性环境问题备受关注，妥善处理和回收废塑料对于实现可持续发展社会不可或缺。然而，虽统称塑料，其实塑料具有聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等多种类型。如果不能有效地区分塑料的种类，就无法回收作为材料使用，最终还是会被废弃。
田边先生以利用太赫兹波对塑料进行高度识别为目标，于2019年报名参加了JST（日本科学技术振兴机构）的社会还原加速项目（SCORE）。在研究中，通过分析0.5〜7THz的宽带域太赫兹波透射吸收光谱，证实了不仅可以识别出PE、PS、PP等不同材质的塑料，还可以检测塑料的劣化状态和金属的混入情况（图2）。另一方面，田边先生还实地考察了废物回收企业，并实际出访印度，了解当地为了从废料中回收金属而焚烧和非法丢弃废塑料的状况。田边先生说道：“为了解决这些问题，必须提高分拣精度。尽管单一材质的宝特瓶已经确立了回收技术，但PE、PS、PP的辨别率还仅为70%左右，而且由于品质问题导致回收的塑料用途也受到限制。通过SCORE项目，确认了我们的高精度分拣系统具有充分的商业可行性。”
图2 太赫兹波的透射/反射测量装置
测量装置根据透射到对象（样品）的太赫兹波的透射率和反射率之间的差异来识别材料（左）。通过测量PE、PP和PS材料的透射吸收光谱（厚度：1.5mm），明确了光的吸收强度差异和特征峰值（右）。
最初的目标是“店铺型分拣机”
超市实证实验
从2021年度开始，田边先生利用SCORE培养起来的人脉，开始与东北大学的刘庭秀教授和真子岳特任讲师、静冈大学的佐佐木哲朗教授一起，在“大学新产业创造计划（START）项目”的推进型中开始了“塑料容器包装废弃物的高精度分拣装置的商业化”举措。在分拣装置的开发过程中，通过结合基于人工目视进行的分拣现场实际情况的机器学习，开发出了有望实现高精度识别的算法（图3）。并制作出了集输送废塑料混合物的传送带、分拣装置等为一体的试制机，并在展览会上进行了展示。
图3 塑料制容器和包装的识别
实际运行的试制机获得了巨大反响。多家媒体对其进行了报道，并收到了100多件材料回收利用公司和流通公司的咨询，其中26件已进入具体商谈。还计划成立初创企业。
作为初创企业最初的商业目标，田边先生提到了“店铺型分拣机”。“尽管在超市、便利店等已引进了宝特瓶回收机，但容易混入便当和熟食的PE、PS、PP容器，颜色和形状也各不相同。我们的高精度分拣机不管它是否透明，可以识别出是PE、PS、还是PP材质，还可以判别出是否含有不适合回收再利用的添加剂的塑料。目前，我们正在与分拣机制造商合作开发原型机，并开始在超市等进行实证实验。另外，在设计工学部其他实验室的协助下，我们正在开发适合于店铺使用的实用装置设计。”
田边先生回顾道，通过SCORE和START两项目，能够与城市问题专家、回收再利用相关人士、流通企业业者等进行广泛的交流，他们提供的现场经验又促进了新知识的发现。今后，将挑战开发工业废塑料分拣机和一般垃圾分拣机，并为更易于回收利用的容器、标签的材料和形状进行提案。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2023年6月号
翻译：JST客观日本编辑部
