翼のあるマイクロチップは人類史上最小の飛行構造物

翼のあるマイクロチップは人類史上最小の飛行構造物テクノロジー
3Dマイクロフライヤーは、スケール感を表現するために普通のアリの隣に置かれている。©Northwestern University

砂粒ほどの大きさのマイクロフライヤーを拡散させることで、大気汚染、空気感染症、環境汚染のモニタリングが可能になる

ノースウェスタン大学のエンジニアは、電子マイクロチップに飛行という新しい機能を加えました。

砂粒ほどの大きさのこの新しい飛行マイクロチップ(または「マイクロフライヤー」)には、モーターやエンジンはありません。

その代わりに、カエデのプロペラの種のように風に乗って飛行し、ヘリコプターのように空中を回転しながら地上に向かって進んでいきます。

エンジニアは、カエデの木や他の風で飛ばされる種子を研究し、マイクロフライヤーの空気力学を最適化しました。

この挙動により、飛行が安定し、広範囲に拡散し、空気との接触時間が長くなるため、大気汚染や空気感染症のモニタリングに最適です。

このマイクロフライヤーには、センサー、電源、無線通信用のアンテナ、データを保存するための組み込みメモリなど、超小型化された技術を搭載することが可能で、人類が作り出した史上最小の飛行構造物となります。

マイクロフライヤーの拡大写真

コイルアンテナとUVセンサーを搭載した3Dマイクロフライヤーの拡大写真。©Northwestern University

本研究成果は、2021年9月23日発行のNature誌の表紙を飾りました。

開発を主導したノースウェスタン大学の John A. Rogers教授は、「私たちの目標は、小型の電子システムに翼のある飛行を加えることでした。これにより、汚染の監視や人口監視、病気の追跡のために環境を感知する高機能な小型電子デバイスを配布できるようになると考えました。私たちは、生物の世界からヒントを得たアイデアを使って、それを実現することができました。何十億年もかけて、自然は非常に洗練された空気力学を持つ種子を設計しました。私たちは、そのようなデザインコンセプトを借りて、それを電子回路のプラットフォームに応用しました。」と述べています。

バイオエレクトロニクスのパイオニアであるRogers氏は、ノースウェスタン大学のルイ・シンプソン&キンバリー・クエリー教授(材料科学・工学、生物医学工学、神経外科学)を務めており、クエリー・シンプソン・バイオエレクトロニクス研究所の所長でもあります。

また、マコーミック大学の機械工学教授であるYonggang Huang氏は、本研究の理論的研究を主導しました。

そよ風を受け止める

自由落下する3Dマイクロフライヤー ©Northwestern University

多くの人は、カエデの葉がプロペラのように回転しながら宙を舞い、歩道にそっと落ちていく様子を見たことがあるでしょう。

これは、自然がさまざまな植物の生存率を高めるために、巧妙で洗練された方法を進化させてきたことを示す一例です。

種子が広く拡散されることで、通常は定住しない植物や樹木が、広大な距離を移動して種を伝播し、広範囲に渡って生息することができるのです。

Rogers氏は、「多くの種類の種子が示す洗練された空気力学的特性は、進化が原動力となっていると考えられます。これらの生物学的構造は、ゆっくりと制御された方法で落下するように設計されているため、可能な限り長い時間、風のパターンと相互作用することができます。この特徴により、純粋に受動的な空気中のメカニズムによる横方向の分布が最大化されます。」と言います。

ノースウェスタン大学のチームは、マイクロフライヤーを設計するために、いくつかの植物の種子の空気力学を研究しました。

トリステラテイアの種子には翼があり、風を受けてゆっくりと回転しながら落下します。

「私たちは、自然に勝てると思います。」

Rogers氏のチームは、さまざまな種類のマイクロフライヤーを設計・製作しました。

その中には、トリステラテイアの種子の翼と同じような形と角度に最適化された3枚の翼を持つものもありました。

最も理想的な構造を特定するために、Huang氏は、トリステラテイアの種子がゆっくりと制御されながら回転するのを真似て、デバイスの周りを空気がどのように流れるのかを、実物大のコンピューターモデルで再現しました。

「計算機モデリングにより、最小の終端速度が得られる飛行構造を迅速に設計最適化することができました。これは、試行錯誤的な実験では不可能です。」とHuang氏は述べています。

Rogers氏のグループは、このモデリングに基づいて、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の機械工学准教授であるLeonardo Chamorro氏と共同で、流れのパターンを画像化して定量化するための高度な手法を用いて、実験室で構造体を作成し、テストを行いました。

その結果、さまざまなサイズや形状の構造体を形成することができ、中には自然に勝るとも劣らない特性を持つものもあります。

Rogers氏は、「私たちは、自然に勝てると思っています。少なくとも狭い意味では、草木の種子と同等のものよりも安定した軌道で、遅い終端速度で落下する構造体を作ることができました。また、自然界に存在するものよりもはるかに小さいサイズで、ヘリコプターのような飛行構造物を作ることができました。これは重要なことです。というのも、デバイスの小型化は、センサー、ラジオ、バッテリーなどのコンポーネントをこれまで以上に小さいサイズで構築することができるという、エレクトロニクス産業における圧倒的な発展の軌跡を示しているからです。」と述べています。

3サイズのマイクロフライヤー ©Northwestern University

植物から飛び出す本まで

Rogers氏のチームは、このデバイスを製造するために、子供が読む飛び出す絵本という身近なものからヒントを得ました。

研究チームはまず、平面的な形状の飛行構造体の前駆体を作製しました。

次に、この前駆体を、わずかに伸ばしたゴム製の基板に接着しました。

伸びた基板を緩めると、制御された座屈プロセスが発生し、翼が正確に定義された3次元の形に「飛び出す」のです。

「既存の半導体デバイスはすべて平面的なレイアウトで作られているので、2次元の前駆体から3次元の構造体を作るこの戦略は強力です。家電業界で使用されている最先端の材料と製造方法を利用して、標準的な平らなチップのようなデザインを作ることができるのです。そして、それを飛び出す絵本のような原理で、3次元の飛び出す形に変換するのです。」とRogers氏は言います。

期待を込めて

マイクロフライヤーは、ミリ単位の電子機能部品とその翼の2つの部分から構成されています。

マイクロフライヤーが空中を落下する際には、翼が空気と相互作用して、ゆっくりと安定した回転運動を行います。

電子機器の重量は、マイクロフライヤーの中央部の低い位置に分散されており、コントロールを失って混沌とした状態で地面に転がり落ちることを防ぎます。

Rogers氏のチームは、センサー、周囲のエネルギーを利用できる電源、メモリストレージ、スマートフォンやタブレット、コンピュータにデータをワイヤレスで転送できるアンテナなどを搭載した例を示しました。

研究室では、空気中の微粒子を検出するために、これらの要素をすべて備えたデバイスを用意しました。

また、別の例では、水質を監視するためのpHセンサーや、異なる波長での日焼けを測定するための光検出器を組み込みました。

Rogers氏は、飛行機やビルから大量のデバイスを投下し、広範囲に拡散させることで、化学物質が流出した後の環境修復作業を監視したり、さまざまな高度での大気汚染レベルを追跡したりすることができると想像しています。

「モニタリング技術の多くは、対象となる空間の少数の場所で局所的にデータを収集するように設計された大量の機器を使用しています。私たちは、多数の小型センサーを高い空間密度で広い範囲に拡散させ、無線ネットワークを形成することを想定しています。」とRogers氏は述べています。

蒸発

しかし、電子機器のポイ捨てになるのでは?

Rogers氏は、そのためのプランを持っています。

Rogers氏の研究室ではすでに、不要になったら水に溶ける一過性の電子機器を開発しており、最近では生体吸収型ペースメーカーの研究で実証されています。

現在は、同じ材料と技術を使って、時間の経過とともに自然に分解され、地下水に溶け込むマイクロフライヤーを作っています。

吸収性のあるマイクロフライヤーが溶けて消えていく様子 ©Northwestern University

「私たちは、分解可能なポリマー、堆肥化可能な導体、溶解可能な集積回路チップを用いて、このような物理的に一時的な電子システムを製造していますが、これらは水にさらされると自然に消滅し、環境に優しい最終製品となります。大量のマイクロフライヤーを回収するのは難しいと考えています。この懸念に対処するために、この環境再吸収性バージョンは、自然かつ無害に溶解します。」と述べています。

本研究「Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds」は、ノースウェスタン大学クエリー・シンプソン・バイオエレクトロニクス研究所の支援を受けて行われました。

Rogers氏とHuang氏に加えて、責任著者には、イリノイ大学のLeonardo Chamorro氏と中国・清華大学のYihui Zhang氏が名を連ねています。また、論文の筆頭著者は、韓国のスンシル大学のBong Hoon Kim氏、中国の華中科技大学のKan Li氏、ノースウェスタン大学のRogers研究室のJin-Tae Kim氏とYoonseok Park氏です。

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