応用物理学研究所

ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所
モットー重要な課題への重要な貢献
設立1942
研究の種類非機密／機密
予算20億9000万ドル[ 1 ]
院長デイブ・ヴァン・ウィー博士
職員8,800人[ 2 ]
所在地米国メリーランド州ローレル
運営会社
ジョンズ・ホプキンス大学
ウェブwww.jhuapl.edu

ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所（単に応用物理学研究所またはAPLとも呼ばれる）は、アメリカ合衆国メリーランド州ハワード郡にある非営利のアメリカ海軍後援の大学提携研究センター（UARC）である。 [ 3 ]

APLはジョンズ・ホプキンス大学と提携しており、2025年時点で8,800人以上の従業員を擁しています。[ 4 ] APLは、米国とその同盟国が直面する国家安全保障と科学的課題に対処するための研究、エンジニアリング、分析を行っています。[ 3 ] APLは、技術的な専門知識、長年の経験、そして専門設備を結集し、迅速なプロトタイピングと長期的な研究開発を支援しています。APLは幅広い分野にまたがり、運用システムと基礎科学技術の両方に貢献しています。[ 5 ]

メリーランド州ローレルにあるジョンズ・ホプキンス APL キャンパスの航空写真。
メリーランド州ローレルにあるジョンズ・ホプキンス APL メインキャンパスの航空写真。

研究所は、国防総省の各部門、[ 6 ]情報機関、[ 7 ]国土安全保障省、[ 8 ] NASA、 [ 9 ]その他の政府機関、および産業界の技術リソースとして機能します。APLは、防空・ミサイル防衛、[ 10 ]水上および海中の海軍戦闘、コンピュータセキュリティ、宇宙科学、宇宙船建造の分野で多数のシステムと技術を開発しました。研究所の仕事は、海中システムやサイバー作戦から生物科学や宇宙探査までのアプリケーションを含む13のミッション領域にわたります。学際的なチームがドメイン専門知識とシステムエンジニアリングを統合して、さまざまな政府ミッションをサポートしています。[ 5 ]

歴史

APLは、第二次世界大戦中の1942年、科学研究開発局（OSRD）のセクションTの下、大学における国の科学技術の専門知識を動員するという政府の取り組みの一環として設立されました。初代所長はマール・アンソニー・トゥーブで、彼は戦時中ずっとセクションTを率いていました。[ 11 ]

メリーランド州シルバースプリングのジョージアアベニューにあった元の APL 施設。
メリーランド州シルバースプリングのジョージア通りにあった最初の APL 施設。研究所は第二次世界大戦中に開設され、冷戦初期に稼働していました。

Tセクションは1940年8月17日に設立されました。科学研究​​開発局の公式歴史書「時間に抗う科学者たち」によると、APLは1942年以降のTセクションの主要研究所の名前であり、組織全体の名前ではありませんでした。[ 12 ] Tセクションの応用物理学研究所は可変時間近接信管の開発に成功し、連合国の勝利に重要な役割を果たしました。[ 13 ]信管の成功を受けて、APLは1944年にMK 57砲を開発しました。[ 14 ]

APLの研究成果に満足した海軍は、誘導ミサイルの脅威を無効化する方法を見つけるという任務を同研究所に与えました。それ以来、APLは防空・ミサイル防衛の研究に深く関わるようになりました。終戦時に解散が予定されていたAPLは、海軍向けの誘導ミサイル技術の開発に深く関わるようになりました。政府の要請により、大学は研究所を公共サービスとして維持し続けました。[ 15 ]

ジョンズ・ホプキンス APL の初期の自律型ロボット「The Beast」。
1960年代、APLは「ザ・ビースト」として知られる初期の自律ロボットを開発しました。サイバネティックな行動の実験として作られたこのロボットは、自己充電、障害物の回避、光源の検知が可能で、移動ロボット研究における画期的な出来事となりました。

APLはもともとメリーランド州シルバースプリングのジョージア通り8621番地のウルフビル内の中古車ガレージ[ 16 ]にありました。 [ 17 ] [ 18 ] APLは1954年にローレルへの移転を開始し、1956年には200万ドルの建物と70万ドルの翼の拡張を行いました。最後のスタッフは1975年に新しい施設に移行しました。ローレルに移転する前、APLは、シルバースプリングの北、ジョージア通りの現在のフォレストグレンメトロに近い「フォレストグローブステーション」も管理しており、そこには極超音速風洞が含まれていました。[ 19 ]フォレストグローブステーションは1963年に空になって取り壊され、フライトシミュレーションはローレルに移転されました。1960年代には、APLはフェルディナンドとジョンズホプキンスビーストと呼ばれる2台の初期の先駆的な自律ロボット、つまり「モバイルオートマトン」を製作しました。

研究所の名称は第二次世界大戦に由来していますが、APLの主な強みは、専門知識、研究開発、分析を駆使して、複雑な国家安全保障および科学的課題に対するシステムエンジニアリングとプロトタイピングソリューションを提供することです。職員の80%以上が技術系専門家で、そのうち約1,500人が博士号取得者です。また、職員の大多数は工学、数学、コンピュータサイエンス、物理学、生物学、または類似分野の学位を取得しています。[ 4 ]

APLは、基礎研究と応用研究、探索的開発と高度開発、試験と評価、システムエンジニアリングと統合の分野でプログラムを実施しています。[ 5 ]スポンサーによる研究に加えて、APLは、国の将来の課題に対処するための革新的なアイデアやコンセプトの探求のためのシード資金を提供する強力な社内研究開発プログラムを維持しています。[ 20 ]

戦時中の貢献

1950年代から60年代にかけて、APLは海軍と協力してバンブルビー作戦計画に取り組み、RIM-2テリア、RIM-8タロス、RIM-24ターター地対空ミサイルシステムを開発しました。[ 21 ]改良されたタロスとターターミサイルをベースにした後継のタイフォンミサイルプロジェクトは成功しましたが、高コストのため1963年に中止されました。最終的には、改良されたテリアをベースにしたスタンダードミサイルと、現在ではよく知られているイージス戦闘システムへと発展しました。[ 22 ]

APLは、海上から弾道ミサイル防衛（BMD）を実証するために必要な変革システムの開発を主導しました。その結果得られた実験は、BMD技術を海軍の兵器システムと統合することで、海上から宇宙空間で「弾丸を弾丸で撃ち抜く」ことが可能になることを実証しました。[ 23 ]

1990年、APLは湾岸危機管理室での活動やその他の取り組みを含め、砂漠の嵐作戦に貢献した。 [ 24 ]

主な貢献

  • トランジット・ナビゲーション・システム（1960年代）：世界初の衛星ベースのナビゲーションシステムを開発し、今日のGPSの基礎を築きました。[ 25 ]
  • パーシング（1965年）：アメリカ陸軍向けパーシングミサイルシステムの試験・評価プログラムを開発・実施した。APLはパーシング運用試験プログラム（OTP）を開発し、パーシング運用試験ユニット（POTU）に技術支援を提供し、問題点を特定し、パーシングシステムの性能と生存性を向上させた。 [ 26 ]
  • AMFAR（1970年代）：適応型モジュラーフェーズドアレイレーダーを開発し、現代のフェーズドアレイレーダーシステムの基礎技術に貢献した。[ 27 ]
  • 海中物理学の活用 (1970 年代～ 1980 年代):脅威となる潜水艦の長距離探知を可能にし、海軍のステルス設計に役立つ高度なソナー アレイ機能。
  • SATRACK（1980年代）：搭載機器を用いてミサイルの軌道を高精度に追跡できるようにすることで、弾道ミサイルの試験に革命をもたらした。[ 28 ]
  • トマホーク（1980年代）：自律航行と精密誘導を可能にする誘導アルゴリズムを開発し、トマホークは世界初の長距離精密誘導巡航ミサイルとなった。 [ 29 ]
  • 協調交戦能力（1990 年代）：分散したセンサーと兵器システムを統合された部隊として運用できるようにすることで、ネットワーク化された防空を可能にしました。
  • ディスカバリー計画ミッション（1990年代～2000年代）：NEARやMESSENGERなどの先駆的な低コストの惑星探査ミッションを主導し、NASAの深宇宙探査を拡大した。[ 30 ]
  • 海上からの弾道ミサイル防衛（2000年代）：海上配備型ミサイル防衛能力を開発し、海軍プラットフォームが世界中の弾道ミサイルを探知、追跡、迎撃できるようにした。[ 31 ]
  • 二重小惑星方向転換テスト（2022年）：運動エネルギーによる衝突で小惑星の軌道を意図的に変更する初の惑星防衛テストミッションを主導した。 [ 32 ]

キャンパス

ジョンズ・ホプキンス大学APLの201号館。2025年にラルフ・D・センメル・イノベーションセンターに改名されました
2021年、APLは263,000平方フィートのスペース、200人収容の講堂、90,000平方フィートを超える専門実験室を備えた学際研究センター、201号館を開設しました。2025年には、研究所の8代目所長であるラルフ・D・センメル氏に敬意を表し、この建物はラルフ・D・センメル・イノベーション・センターに改名されました

近代的な応用物理学研究所はメリーランド州ローレルに位置し、461エーカーの敷地に30棟以上の建物を擁しています。周辺には補助キャンパスも設けられています。キャンパスには、複数のイノベーション・コラボレーションスペース、試験施設、そして800以上の研究室が併設されています。APLはまた、国防総省やその他のスポンサー施設と緊密に連携し、全米各地に現地事務所を構えています。[ 5 ]

2021年、APLは263,000平方フィート（約2万3,000平方メートル）の広さを持つ学際研究センター、201号棟を開設しました。この建物は、200人収容可能な講堂と90,000平方フィート（約8,000平方メートル）を超える専門研究室を備えています。また、4階建てのアトリウム、STEMセンター、100人収容可能な会議室と講堂のブレイクアウトルームも備えています。2025年には、 2010年から2025年まで研究所を率いた APL第8代所長ラルフ・セメル氏に敬意を表し、ラルフ・D・セメル・イノベーション・センターに改名されました。

教育とインターンシップ

APLは、ジョンズ・ホプキンス大学ホイッティング工学部（WSE）の、APL職員と一般向けの工学および応用科学のパートタイム大学院プログラム「エンジニアリング・フォー・プロフェッショナルズ（EP）」も 運営しています

APLのSTEMアカデミープログラムの学生
中学生と高校生に実践的な科学と工学の教育を提供する APL の STEM アカデミー プログラムに参加している学生たち。

EPの学生の最大75%はAPL外から来ています。教員には、APLとWSEの科学者やエンジニア、地域の航空宇宙、エンジニアリング、情報技術企業、政府機関の出身者が含まれています。EPは25の分野で修士号を取得でき、そのうち14分野はAPLを拠点とし、APLの技術専門スタッフが指導にあたります。コースは、APL教育センターを含むボルチモア・ワシントン大都市圏の7つの拠点で開講されています。 [ 33 ]

APLのSTEMアカデミーには、小学3年生から高校3年生までの生徒を対象に、科学、技術、工学、数学分野のキャリアへの道筋を提供する複数のプログラムが含まれています。APLのコアプログラムは相互に補完し合うように設計されており、統合モデルに基づいて構築されているため、子どもたちはSTEM分野のプロフェッショナルであることの意味をしっかりと学ぶことができます。

プログラムには、3年生から12年生を対象とした放課後プログラムであるメリーランドMESA、8年生から12年生を対象とした放課後コースプログラムであるSTEMアカデミー、高校3年生と4年生が大学進学前にSTEM関連のキャリアを体験・探求できるAPLの学生プログラムであるInspire、Relate、Enrich（ASPIRE）、APLの大学インターンシッププログラムであるPathwaysなどがある。[ 34 ]

研究

APLは13のミッション領域[ 4 ]にわたって活動しており、海底システム、宇宙探査、サイバーセキュリティ、生物科学などの分野を網羅しています。そのチームは、システムエンジニアリングと技術的専門知識を応用し、国家安全保障と科学研究のための技術の開発、試験、統合を支援しています。[ 5 ] [ 35 ]

研究所は、政府のスポンサーや産業界のパートナーと連携し、研究開発の優先順位をミッションニーズと整合させるよう努めています。その活動は、技術を運用段階に移行させることに重点を置いており、プロトタイプの開発と外部組織によるより広範な導入の両方を支援しています。[ 36 ]

APLのポートフォリオには、防空・ミサイル防衛、水中戦といった長年の研究分野に加え、新興領域や戦略的優先事項に関する研究も含まれています。これらには、自律システム、極超音速システム、生存性と性能、人工知能、確実な自律性、バイオ製​​造、次世代材料などが含まれます。[ 37 ]

国家安全保障と国土防衛

APLは、防空・ミサイル防衛、極超音速兵器、攻撃・戦力投射、潜水艦警備、対潜水艦戦、戦略システム評価、サイバー作戦など、国家安全保障を支える上で重要な役割を果たしている。これまでの貢献としては、無線近接信管や地対空ミサイルが挙げられる。[ 38 ] [ 39 ]

最近の取り組みとしては、イージス兵器システム[ 40 ]や協調交戦能力（Cooperative Engagement Capability）などが挙げられる。これらの取り組みやその他の取り組みは、弾道ミサイル、巡航ミサイル、無人航空機などの脅威を軍が検知、追跡、迎撃することを可能にし、地球規模の脅威に対処している。

先進製造業

APLの付加製造技術の進歩における取り組みは、特に遠隔地や極限環境での運用準備を支援するために、材料科学、精密工学、ラピッドプロトタイピングに重点を置いています。 [ 41 ]

APLは、海上での船舶の保守・修理を支援するための精密金属3Dプリントプロセスの発展において重要な役割を果たしてきました。2023年、海軍の艦艇が主要部品の材料破損に遭遇した際、APLと艦艇乗組員は部品をリバースエンジニアリングしてデジタルファイルを作成し、わずか5日間で積層造形を行いました。これは従来の調達にかかる時間のほんの一部です。[ 41 ] [ 42 ] APLは、紛争地域や資源が限られた環境における保守、修理、そしてミッションの回復力を確保するための高度な製造方法の研究を続けています。

人工知能と自律性

APLは、防衛、医療、宇宙などの分野において、人工知能[ 6 ] 、機械学習、自律システムの研究を行っています。その取り組みには、人間と機械の連携とシステムの透明性を重視した、安全で信頼性の高いアルゴリズムとプラットフォームの開発が含まれます。 [ 43 ] APLはまた、量子情報科学やニューロモルフィック・アーキテクチャなどの代替コンピューティング・パラダイムを探求し、高度な自律性と通信をサポートしています。

APLの研究者たちは、国防総省研究技術担当次官室のプログラムを通じて、低コストの無人海洋システムを迅速に統合、テスト、評価し、戦闘員への自律システムの提供を加速することに貢献してきました。[ 44 ]

宇宙

アラン・スターンは、 2015年にニューホライズンズによる冥王星フライバイの成功をAPLミッションオペレーションセンターで祝っています

APLは、NEARシューメーカー、ACE（Advanced Composition Explorer）、TIMED、CONTOUR、MESSENGER、STEREO（A & B）、ヴァン・アレン探査機、ニュー・ホライズンズ、パーカー・ソーラー・プローブ、DART惑星防衛ミッション、IMAP太陽物理学ミッションなど、NASAの多くの宇宙船を建造・運用してきました。APLはまた、 EZIE（Electrojet Zeeman Imaging Explorer）、ルナ・バーテックス、エウロパ・クリッパーのハードウェア/機器など、NASAの他のプロジェクトにも主要なシステムと機器を提供してきました。[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]

APLの宇宙事業は1950年代後半から1960年代前半にかけて、海軍がスポンサーとなったトランジット（衛星）航法システムや後のジオサットなどの衛星から始まった。1990年代初頭、NASAは競争的に選定され、費用上限が設けられ、主任研究者が主導する惑星探査ミッションであるディスカバリー計画を設立した。APLは同計画の最初のミッションであるNEARシューメーカーを建造し、後に水星探査機メッセンジャーを開発している。 [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] 2021年11月、APLのDART宇宙船が打ち上げられ、2022年9月26日に小惑星ディモルフォスに意図的に衝突し、ディディモスの周回周期を約33分短縮した。これは小惑星の運動学的偏向の最初の実証である。[ 54 ]

APLの宇宙関連業務は、宇宙探査セクター（SES）によって管理されています。同セクターは、宇宙船統合用の高層ベイとクリーンルーム、熱真空チャンバーや振動台などの環境試験施設（「シェイク・アンド・ベーク」）、そして打ち上げ前からミッション終了まで複数の宇宙船を同時に運用できるマルチミッション運用センターを管理しています。[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]

タイタンに着陸するNASAのドラゴンフライ回転翼航空機着陸船のアーティストによる概念図。

進行中および今後のミッション。 2019年、NASAはAPLが提案したドラゴンフライ回転翼航空機を4番目のニューフロンティアミッションに選定しました。これは、タイタンの複数の地点に飛行して生命誕生前の化学反応と潜在的な居住可能性を調査するように設計された移動可能な着陸機です。[ 59 ] APLはまた、NASAのパーカー・ソーラー・プローブを管理しています。この探査機は2024年12月24日に太陽に最も接近した人工物となり、太陽表面から約380万マイル（620万キロメートル）まで接近し、2025年に再びその記録に並びました。[ 60 ] [ 61 ]太陽物理学の分野では、APLは 2025年に打ち上げられ、太陽圏の境界を地図化し、高エネルギー粒子の加速を研究する恒星間マッピングおよび加速探査機（IMAP）を運用しています。[ 62 ] [ 63 ]

小惑星132524 APLは、ニューホライズンズ宇宙船のフライバイにちなんでAPLにちなんで命名されました。[ 64 ]

健康とバイオエンジニアリング

APLは、神経工学、脳コンピューターインターフェース、高度な義肢、公衆衛生デジタルツイン[ 65 ]、生物システムの研究を行い、軍事および緊急事態のための革新的な医療アプリケーションを推進しています[ 66 ] 。これらの取り組みには、緊急対応のための拡張現実支援医療や、軽度の爆発による外傷性脳損傷の影響を研究するための脳オルガノイドプラットフォームが含まれます[ 67 ]

2014年、APLはDARPAの資金提供を受けたRevolutionizing Prostheticsプログラムを主導し、完全に人工的な関節式腕と手であるModular Prosthetic Limbの開発に成功しました。[ 68 ]この装置は、両肩切断者によって正常に制御され、筋肉の収縮を追跡するパターン認識アルゴリズムを使用して、切断者の体と連動して義肢を動かしました。

APLはこの技術を2016年のデモンストレーションで拡張し、麻痺した男性が埋め込まれた脳チップから送られた信号を使って当時の大統領バラク・オバマと「フィストバンプ」することができた。 [ 69 ]この手足はまた、腕からの感覚フィードバックを装着者の脳に返した。2023年には、APLの研究者らはウェアラブル薄膜熱電冷却器（TFTEC）を開発した。これは世界最小、最高強度、最速の冷却装置の1つである。TFTECは、切断者が幻肢で温度感覚を感知するのを助ける。[ 70 ]この技術は2023年にR&D 100賞を受賞し[ 71 ]、サムスンと共同で[ 72 ] 、 APLの研究者らはTFTEC技術を実用的な固体冷却アプリケーションに拡張した。[ 73 ]

2020年1月、COVID-19パンデミックが発生した際、ジョンズ・ホプキンス大学はコロナウイルス・リソース・センター（通称COVID-19ダッシュボード）を立ち上げ、パンデミックに関するほぼリアルタイムの世界的データとして最も広く利用され、信頼される情報源となった。[ 74 ]このダッシュボードは当初、ホワイティング工学部のローレン・ガードナー准教授率いるチームによって開発された。 [ 75 ]流入するデータの量が急速に増加し、手作業での処理を圧倒したため、大学はAPLに目を向けた。APLの研究者らは、データの収集、集約、キュレーションのプロセスを自動化し、重要な分析と視覚化に貢献した。彼らの作業は、パンデミックの間中、政府、メディア、国民に役立ったダッシュボードの正確性と使いやすさを維持するのに役立った。[ 74 ]

参照

参考文献

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39°09′55″N76°53′50″W / 北緯39.16528度 西経76.89722度この場所の地図、航空写真、その他のデータ

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