アスタミューゼ株式会社（本社:東京都千代田区、代表取締役社長 永井歩）は、フラクタル材料に関する技術領域において、弊社の所有するイノベーションデータベース（論文・特許・スタートアップ・グラントなどのイノベーション・研究開発情報）を網羅的に分析し、動向をレポートとしてまとめました。
フラクタル材料とは
「フラクタル」とは、図形の一部を拡大すると全体と相似な形状がくりかえしあらわれる性質を指す、幾何学の概念です。近年、この「フラクタル構造（自己相似構造）」を材料設計に取り入れた「フラクタル材料」がさまざまな領域で注目を集めています。
フラクタル材料の特徴は、自己相似性を設計要素として意図的に取り入れる点にあります。数学的なフラクタル図形を近似的に再現した構造や、自然界の自己相似構造を模倣した構造を、材料の表面や内部の骨格に採用します。図1と以下の例は、こうした設計のもとになる代表的な形状です。
図1：左上から時計回りに、コッホ曲線、ヒルベルト曲線、シェルピンスキのガスケット、シェルピンスキのカーペット
- 数学的なフラクタル図形
- - 曲線フラクタル：コッホ曲線、ヒルベルト曲線など
- - 平面フラクタル：シェルピンスキのガスケットやカーペット
- - 立体フラクタル：メンガーのスポンジ（シェルピンスキのカーペットの3次元版）
- 自然界に見られる自己相似構造
- - 生体：肺の構造、血管網、腸管内壁、神経網など
- - 植物：樹木の枝分かれ、ブロッコリー、シダの葉など
- - その他：デンドライト（樹枝状結晶）、リヒテンブルク図形など
- - 海岸線、河川、山脈、銀河の大局的分布など
単一のスケールで設計された平滑な表面や周期構造では、特定の波長や振動数など、限られた条件で高い性能を発揮する場合があります。対応する帯域や動作範囲を広げるため、材料の大型化や多層化が必要となることもあります。一方、フラクタル材料は、限られた面積や体積の中に長い曲線や大きな表面積を持たせられます。また大きさの異なる相似な構造を階層的に配置することで、それぞれの構造を異なる物理条件に応答させることができます。こうした特徴は、広帯域の電磁波吸収や超親水性・超疎水性、高表面積による触媒や電極活性の向上、軽量性と強度・安定性の両立などにつながります。コンパクトな材料に複数の機能をもたせる設計として期待されます。
高性能なフラクタル材料の実現には、構造の設計、製造、評価をつなぐ技術が必要です。設計では、フラクタル次元（図形が空間を埋める複雑さを表す指標で、整数値とは限らない）や階層数を、目的とする物性に結び付けるシミュレーション技術が重要になります。製造では、ナノからマクロまでの各スケールで設計形状を再現する微細加工や積層造形の技術が、評価では階層構造を壊さずに調べる非破壊計測技術が求められます。また、長期使用を見すえ、微細構造の機械的耐久性や量産時のばらつきを管理することも重要です。
フラクタル材料に関連する技術や用途は、大きく次の5つの領域に整理できます。
- 電磁波・光：広い周波数帯に対応する電磁波吸収体や遮蔽材、フラクタルアンテナ、フォトニック結晶、プラズモン増強素子、トポロジカル材料など
- 熱・流体：フラクタル流路をもちいたデバイス液冷やマイクロ反応器、微小血管チップ、放熱フィン、蓄熱材、断熱材など
- 表面改質：水を極めてはじきやすい超疎水性や、水になじみやすい超親水性、防氷性、防汚性をもつ材料、高表面積の触媒など
- 構造体：軽量かつ高強度の構造材、振動や衝撃を吸収する材料、広帯域の吸音材や遮音材、フラクタル架橋ハイドロゲルなど
- エネルギー・センシング：燃料電池や二次電池向けの電極、摩擦帯電型ナノ発電機、電磁波のエネルギーを回収するハーベスタ、共振型センサ、ひずみセンサなど
本レポートでは、これらの領域の研究開発動向を把握するため、アスタミューゼ独自のデータベースを活用し、フラクタル材料に関連する特許と論文を分析しました。
フラクタル材料に関連する特許の動向
アスタミューゼが保有する特許データベースから、2011年以降に出願され、タイトルおよび要約に「フラクタル（fractal）」「自己相似（self-similar）」などのキーワードをふくむ特許514件を抽出しました。この母集団を対象に、文献中のキーワードの年次推移から近年進展がみられる技術要素を特定する「未来推定」分析をおこないました。キーワードの変遷を定量的に評価し、注目が落ち着いた技術や今後注目されると予測される技術をとらえ、各要素技術の段階（黎明・萌芽・成長・実装）を推定する分析です。
2011年以降に出願された関連特許のタイトルと要約にふくまれるキーワードの年次推移が図2です。
図2：フラクタル材料に関連する特許のタイトルと要約にふくまれるキーワードの年次推移
図2の成長率（growth）は、2011年以降の文献中における出現回数と、2019年以降の文献中における出現回数の比で定義されています。値が1に近いほど直近の出現頻度が高いとみなされます。
近年は、「勾配（gradient）」「フラクタル曲線（curve）」「シミュレーション（simulation）」など、フラクタル図形を設計要素として、各階層の寸法を段階的に変える構造設計に関連する語が頻繁に出現しています。ナノインプリントや積層造形などの微細加工技術の進展を背景に、精密なフラクタル形状を作製し、形状の設計によって電磁波や熱への応答を制御する技術開発が進んでいることがうかがえます。
用途に関する語では、撥水、防氷、防汚に関連する「超疎水性の（super-hydrophobic）」「自己修復型の（self-repairing）」、分岐流路による液冷放熱に関連する「マイクロチャネル （micro-channel）」、広帯域の電磁波吸収や遮蔽に関連する「電磁吸収体（absorber）」などが近年出現しています。これらは、電子機器の高密度化や発熱量の増加に対応する技術開発と関連すると考えられます。
つづいて、出願先の国・地域などによる特許出願動向を見ていきます。企業や研究機関の出願する特許の傾向には、社会実装が近い、あるいはすでに実装済みである技術と関連する、短中期の様相が反映されます。関連特許の国別出願件数の年次推移が図です。出願から公開までにはタイムラグがあるため、2025年の集計値は参考値です。
図3：フラクタル材料に関連する特許出願件数の国・地域別年次推移
出願先別では、長期的な増加傾向がみられる中国の件数がもっとも多く、米国、国際出願、欧州、日本が続いています。中国では、五カ年計画で産業基盤能力と競争力の強化に向けてハイエンド新材料産業に注力する方針を掲げており、新材料の一つとして「構造機能一体型材料」が挙げられています。
また、電磁環境両立性（EMC）対策やデータセンタの熱管理に対する需要が、フラクタル構造をもちいた小型のメタマテリアル吸収体や放熱構造の開発をうながしている可能性があります。一方、米国、欧州、日本の出願件数は2020年代以降伸び悩んでおり、構造設計や探索から個別製品への実装へと開発の重心が移行しつつある可能性が考えられます。
（以降、フラクタル材料に関する注目の特許事例、論文のキーワード分析と事例、それらをふまえた全体のまとめについては、弊社コーポレートサイトの該当ページでご確認ください）
著者：アスタミューゼ株式会社 池田 龍 博士（理学）
さらなる分析は……
アスタミューゼでは「フラクタル材料」に関する技術に限らず、様々な先端技術/先進領域における分析を日々おこない、さまざまな企業や投資家にご提供しております。
本レポートでは分析結果の一部を公表しました。分析にもちいるデータソースとしては、最新の政府動向から先端的な研究動向を掴むための各国の研究開発グラントデータをはじめ、最新のビジネスモデルを把握するためのスタートアップ/ベンチャーデータ、そういった最新トレンドを裏付けるための特許/論文データなどがあります。
それら分析結果にもとづき、さまざまな時間軸とプレイヤーの視点から俯瞰的・複合的に組合せて深掘った分析をすることで、R&D戦略、M&A戦略、事業戦略を構築するために必要な、精度の高い中長期の将来予測や、それが自社にもたらす機会と脅威をバックキャストで把握する事が可能です。
また、各領域/テーマ単位で、技術単位や課題/価値単位の分析だけではなく、企業レベルでのプレイヤー分析、さらに具体的かつ現場で活用しやすいアウトプットとしてイノベータとしてのキーパーソン/Key Opinion Leader（KOL）をグローバルで分析・探索することも可能です。ご興味、関心を持っていただいたかたは、お問い合わせ下さい。
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