電波の渦は、土の中でも回るか――構造化波を地中インフラへ持ち込む思考実験
空から見る、が一歩進んだ
2026年9月2日、日立製作所が「構造化電波」技術について続報を発表した。円形アレイアンテナの位相を制御して渦状の波面をつくり、これをオフセットパラボラ形式のアンテナで反射させることで、電波の広がりを抑えたまま宇宙から地上まで届けられる見通しが立ったという内容だった[1]。2025年8月の原理検証発表の段階で、物体の形状・動き・材質といった複数の特徴を一度の観測で同時に取得できる可能性が示されており[2]、今回はその衛星搭載に向けた足がかりが固まった形になる。ロードマップとしては2028年に航空機を使った動的な実証実験、2035年ごろに構造化電波を搭載した衛星による地球観測事業の開始が掲げられている[3][4]。
空からインフラを三次元で見る技術が、また一歩進んだ。そこで、少し妙なことを考えた。空からではなく、地下から同じような見方はできないのだろうか。
波面をねじる、という発想
構造化電波の核にあるのは、軌道角運動量(OAM)という物理量である。波面を螺旋状にねじることで、進行方向まわりの回転運動量を波に持たせる。従来の探査が反射波の強度や到達時間、波の伝播特性などから対象を推定してきたのに対し、そこに「波面そのものをねじる」という別の情報軸を加えられないか、というのが構造化電波の狙いに見える。渦状の波は、対象の形状や動きの非対称性を波面の位相構造に畳み込める可能性がある[2]。
そして日立自身が、この電波を検証する過程で、音波を経由している。2025年の原理検証では、構造化電波そのものを飛ばす前に、8素子の円形スピーカーアレイを使った音波実験によって、渦状の波面を安定して生成・検出・解析できることをまず確かめている。音波と電波は物理的な波として共通の性質を持つため、扱いやすい音波側で先に原理を固め、電波側の設計に反映させたという流れだったようだ[2]。ちなみにこの検証実験そのものを、日立のリリースは「構造化音波」という言葉で呼んでいる[2]。ここから先で扱う「音の渦」という発想は、実はゼロから思いついたものではなく、既に一度、日立自身の実験の中を通り過ぎている。
この技術の出発点には、すでに一度、音の渦がある。ここまでは事実の話だ。
ここから先は思考実験である
以下は、日立の技術を直接転用した話ではない。構造化電波という発想を種にした、かなり自由な空想だと思って読んでほしい。
「波面をねじる」という発想を、音よりさらに先――地盤や構造物を伝わる弾性波にまで持ち込んだら、何が起きるだろうか。そう考えて調べてみたところ、これは完全な空想ではなく、既にこの方向を歩き始めている研究があることが分かった。
実は、弾性波の渦もすでに研究されていた
2022年、英国エクセター大学のグループが、金属パイプの壁を伝わる弾性波にOAMを持たせる研究を発表している。まず彼らは、パイプの一部に特殊な形状のリング(らせん状の段差を持つ挿入部材)を組み込むことで、パイプの軸方向に伝わる縦波を、パイプの壁をらせん状にねじれながら進む屈曲波に変換する実験を行った。続く理論研究で、このねじれた弾性波が光の渦と同じように、きちんと定義できる軌道角運動量を持つことを示している[5][6]。
この研究には、二つ興味深い言及がある。ひとつは、パイプ内の流体にこの渦を伝え、流体側にも渦状の圧力波を励起できるという点。もうひとつは、パイプの軸に平行な向きの亀裂は、このOAMを持つ波と相互作用して波の性質を変化させるため、非破壊的な亀裂検出に使える可能性がある、という著者自身の指摘である[5][6]。まだ実証段階の入り口にある研究だが、「弾性波の渦で、構造物の亀裂の向きを読む」という発想自体は、既にアカデミアの俎上に載っている。
正直、これは調べてみるまで期待していなかった展開だった。
ただし、これは「土の中を通す」話ではない
ここで一つ、区別しておきたいことがある。エクセター大の研究が扱っているのは、パイプの壁そのものを伝わる誘導波であって、土を介して伝わる波ではない。波はパイプという固体構造の中を進み、周囲の土壌はせいぜい壁の外側で波を減衰させる二次的な要因でしかない。
これは埋設管の劣化検知という文脈で考えると、むしろ都合がいい話だ。管そのものに渦状の弾性波を送り込み、管の壁を伝わらせて亀裂の向きや劣化の進行方向を読み取る、という使い方であれば、「不均質な土壌の中を渦が保ったまま伝わるか」という、最も厄介な問題を迂回できる。渦は最初から土に触れない経路を通ることになるからだ。
一方で、埋設管そのものではなく、周囲の空洞や地盤の状態そのものを、土を透かして視ようとする話になると、事情は一気に厳しくなる。
それでも「土を透かして視る」には、別の壁が立ちはだかる
渦状の音響ビームを使った研究は、パイプ以外にも存在する。2018年には、音の渦を使って比較的大きな物体を非接触で浮遊・制御する「音響トラクタービーム」が報告されている[7]。2021年には自由空間中を長距離伝わる音響渦ビームの生成手法が報告されているが、この論文自体が「音響渦ビームは自由空間中では広がりやすく、長距離伝搬の実現がいまだ課題として残っている」と前置きしている[8]。2023年には時間方向にもねじれを持つ音響渦ビームの生成例も出てきた[9]。
一方、こうした音響渦ビームについて見ると、これまでの研究の多くは空気中か水中が舞台であり、空気中ですら渦の長距離維持が課題として残っている。土や岩盤という、粒径・含水率・密度・亀裂・空隙・地下水がすべて不均質に散らばる媒質の中で、渦の構造がどこまで保たれるかは、今のところ誰も検証していないように見える。空気中でさえ苦労している渦の維持が、土の中でさらに難しくなるだろうというのは、自然な推測だと思う。〔完全な仮説〕
現在の地中探査技術――地中レーダーや弾性波探査――も、複数のアンテナ位置や測定方向を重ねることで、対象の形状や異常の広がりをある程度は推定できる[10][11][12][13]。ただしそれは、波面そのものに刻み込まれた角度方向の情報を一度に読み出すのではなく、個々の測定を積み重ねて間接的に形を再構成するやり方に近い。渦状の波が実現するとしたら、それとは違う経路で同じような情報――対象の非対称性――に迫れるかもしれない、という話になる。
音はすでに土の中で働いている
付け加えると、渦を持たない通常の音波であれば、地中で使う技術は既に実務に存在する。シールド工事の分岐・合流・接合作業における高精度測位に音波を使う技術が開発されているし[14]、超磁歪振動子を使った音波による遺跡探査・地雷探査の研究例もある[15]。産業技術総合研究所にも音波探査を専門とする研究グループが置かれている[16]。
「構造化された波を土の中や構造物の中で使う」という発想そのものは、決して突飛な接ぎ木ではない。土台はすでにあちこちにある。
締めに
老朽化した下水道や共同溝、埋設管の点検は、今後さらに数を増やしていく。管そのものの中を伝わる渦状の弾性波で、亀裂の向きや劣化の進行方向まで読み取れる可能性は、パイプ壁面という限られた条件でなら、すでに研究の射程に入っている。
一方で、管の外側――周囲の空洞や地盤そのものを、土を透かして視るという話になると、渦を保ったまま土の中を届ける方法は、まだどこにも見当たらない。
電波の渦は、宇宙から地上まで届く見通しが立った。では弾性波の渦は、管の壁の中でどこまで届き、土の中ではどこで力尽きるのだろうか。
出典
[1] 日立製作所 プレスリリース「宇宙からインフラ・災害を3次元監視する『構造化電波技術』の衛星搭載に向けた原理検証に成功」(2026年9月2日) https://www.hitachi.com/ja-jp/press/articles/2026/09/0902a/ [2] 日立製作所 研究開発「宇宙からの災害監視・インフラ管理の精度を高める『構造化電波』技術の原理検証に成功」(2025年8月5日) https://rd.hitachi.co.jp/_ct/17781083 [3] ZDNET Japan(Yahoo!ニュース)「日立、宇宙からインフラや災害を監視――『構造化電波』技術の初期検証に成功」https://news.yahoo.co.jp/articles/f2c0022fbfbd11849dddafef8d8034e834004a98 [4] SPACE Media「日立、宇宙からインフラ・災害を3次元監視する『構造化電波技術』の衛星搭載に向けた原理検証に成功」https://spacemedia.jp/news/20670 [5] Chaplain, G. J., De Ponti, J. M., Craster, R. V. "Elastic Orbital Angular Momentum," Phys. Rev. Lett. 128, 064301 (2022) https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.064301 [6] Wright, K. "Waves in a Solid Imitate Twisted Light," Physics 15, 21 (2022)(上記論文の解説記事) https://physics.aps.org/articles/v15/21 [7] Marzo, A. et al. "Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles," Phys. Rev. Lett. 120, 044301 (2018) https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.044301 [8] Wang, Y. et al. "Acoustic Bessel Vortex Beam by Quasi-Three-Dimensional Reflected Metasurfaces," Micromachines 12(11), 1388 (2021) https://doi.org/10.3390/mi12111388 [9] "Spatiotemporal Acoustic Vortex Beams with Transverse Orbital Angular Momentum," Phys. Rev. Lett. 131, 014001 (2023) https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.014001 [10] 総務省「地中レーダー技術について」https://www.soumu.go.jp/main_content/000477175.pdf [11] エフティーエス株式会社「地中探査レーダ『GSシリーズ』」https://www.fts-ltd.jp/lp/gs-series/ [12] 地理空間情報技術ミュージアム「弾性波探査」https://mogist.kkc.co.jp/word/d40aaa97-bc91-4596-b4b3-18300939f562.html [13] 基礎地盤コンサルタンツ「弾性波探査」https://www.jasdim.or.jp/gijutsu/jisuberi_joho/tyosa/dansei/model.html [14] 大成建設技術センター報 第42号(2009)「土中音波位置探査技術の開発」https://www.taisei.co.jp/giken/report/2009_42/paper/A042_029.pdf [15] 杉本恒美「音波による遺跡探査・地雷探査システム」計測と制御49巻1号 https://www.jstage.jst.go.jp/article/sicejl/49/1/49_45/_pdf [16] 産業技術総合研究所 地質調査総合センター 物理探査研究グループ(音波探査) https://unit.aist.go.jp/georesenv/explogeo/research/acousticimaging/
