マイクロナノ3Dプリンティングは、サイエンスやネイチャーなどのトップジャーナルに頻繁に掲載され、科学研究とイノベーションのホットスポットになりつつあります。

南極クマの紹介: マイクロナノ 3D プリントは、ミクロンおよびナノメートルスケールで複雑な 3 次元構造を作成できる高度な製造技術です。この技術は、光学、医療、電子工学などの分野における小型化、機能化、統合化の発展に重要な役割を果たします。マイクロナノ 3D プリンティングは現在、科学研究のブレークスルーのホットスポットとなっており、科学研究における革新により、マイクロナノ 3D プリンティングのさまざまな材料と応用分野が拡大しています。国内大手のマイクロナノ3DプリンターメーカーであるMofang Precisionは、数多くの大学が『Science』や『Nature』などの一流国際誌に重要な成果を発表するのを支援してきました。

サイエンスロボティクスの表紙記事: マシンビジョンアプリケーション向けの半球状ナノワイヤアレイに基づく超広視野角ピンホール複眼

2024年、香港科技大学のZhiyong Fan教授のチームは、3Dプリントされたハニカム光学構造と半球状の全固体高密度ペロブスカイトナノワイヤ（PNA）光検出器アレイを統合した独自のピンホール複眼（PHCE）システムを開発しました。このレンズレスピンホールアーキテクチャ (PHA) は、基盤となるイメージセンサーの要件に応じて、任意のレイアウトで設計および製造できます。チームは、光学シミュレーションと画像化結果を比較することで、超広視野角、正確なターゲット位置決め、モーション追跡機能など、ビジョンシステムの主要な特徴と機能を検証しました。さらに研究チームは、ドローンにPHCEシステムを機能的に統合し、地上の四足歩行ロボットを追跡できることを実証した。このユニークな空中・地上協働ロボット相互作用は、マルチロボット協働およびロボット群技術の将来の開発における PHCE システムの潜在的な応用を実証しています。

関連研究は「ロボットの視覚のための半球状ナノワイヤアレイを使用した超広視野角ピンホール複眼」というタイトルで世界トップクラスの学術誌「サイエンス・ロボティクス」に掲載され、その月の表紙論文に選ばれました。香港科技大学電子・コンピュータ工学部のポスドク研究員である周宇、孫成波、博士課程学生の丁宇成が本論文の共同筆頭著者であり、香港科技大学の樊志勇主任教授が本論文の責任著者である。この研究は、香港研究助成委員会プロジェクト、広東省・香港・マカオ共同実験室プロジェクト、科学発見賞、中国銀行（香港）科学技術イノベーション賞の強力な支援を受けて行われました。

図 1. PHCE とその統合コンポーネントの概略図と画像。 (A) PHCEの全体構造の概略図。 (B) PHCEシステムの断面図。 (C) 半球状多孔質アルミナ膜中のペロブスカイトナノワイヤの断面電子顕微鏡像とマクロ写真。 (D) ムカデの目のマクロ写真。 (E) プリント基板に搭載されたPHCEシステムの側面写真。 (F) 隣接するピンホールユニットの概略断面図。 (G) 異なる眼窩間角度におけるピンホールピクセル数と全体視野の相対的な関係。 (H) 単一のピンホールとピンホールアレイの角度依存の正規化された強度分布。

要点：研究者らは、昆虫（ムカデなど）の複眼の独特な幾何学的構造にヒントを得て、ハニカムピンホールアレイを設計した。光学計算とシミュレーションにより、限られたピクセル数で受光角Δφと個眼間の角度ΔΦを最適化し、対応するピンホールの最適な長さ対直径比を決定した。これにより、隣接する個眼間の死角がなくなり、光効率の損失が低減した。研究者らは、精密表面投影マイクロステレオスコピック（PμSL）リソグラフィー3D印刷技術（nanoArch® P140、精度：10μm）を使用して、半球殻の凸面と一致する対応する幾何学的パラメータを持つピンホールアレイを準備しました。原材料は感光性樹脂でした。印刷の自由度が高く、構造が簡素化されているため、上記のピンホールアレイのパラメータを適切に設計し、対応するイメージセンサーの要件を満たすように調整できます。

要点: 鉛ナノワイヤを前駆体の 1 つとして、アルミナナノチャネル内でペロブスカイトナノワイヤを成長させます。消費されなかった鉛はペロブスカイトと接触します。基板を除去した後、熱蒸発によって凹面のインジウム電極を準備します。研究者は PμSL 3D 印刷技術を使用して、半球形のシェルの凹面に適合するマスクを準備します。アルミナの多孔質構造により、ペロブスカイト材料が自然にカプセル化され、デバイスの動作性能が向上します。ペロブスカイト内のハロゲン元素と金属元素を調整することで、PNA光検出器の感知領域を可視光から近赤外線まで拡張できます。弱い光条件下では、検出器の応答性は 2.9 A/W に達します。光強度が増加すると、光電流が増加し、応答性は低下します。さらに、パッケージされていないデバイスは、通常の環境で 10 か月間保管された後も、元の光電流値の 80% 以上を保持しました。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1126/scirobotics.adi8666

Nature: 頭蓋内生理学的信号モニタリングのための注入可能な超音波センサー

2024年6月、華中科技大学のZang Jianfeng教授、Jiang Xiaobing教授、シンガポールの南洋理工大学のChen Xiaodong教授のチームが協力し、従来の有線センサーの感染リスクや術後合併症を克服し、大きすぎる、体内で分解できないなど、既存の無線電子センサーの臨床応用の課題を回避することが期待される革新的な注射用超音波ゲルセンサーを開発しました。関連する研究結果は、「頭蓋内信号の無線モニタリングのための注入型超音波センサー」というタイトルで、ネイチャー誌オンライン版に掲載されました。

△「頭蓋内信号をワイヤレスでモニタリングする注入型超音波センサー」

研究背景:
現在、頭蓋内圧などの主要な生理学的指標を監視する臨床技術では、通常、手術によって患者の頭蓋内に有線センサーを埋め込む必要があります。この方法には、術後の感染や合併症などの一定のリスクが伴います。既存のワイヤレス電子センサーはこれらのリスクをある程度まで軽減できますが、サイズが大きいため（たとえば、従来の電子部品の断面積は 1 平方センチメートルを超えることが多い）、低侵襲注射による埋め込みには適していません。さらに、ワイヤレス電子センサーは体内で自然に分解されないため、患者はセンサーを除去するために二次手術を受ける必要があります。

△ 注入可能で分解可能なスーパーゲル超音波センサーの設計原理 - 超音波反射に基づくスーパーゲルワイヤレス頭蓋内生理センサーの概略図。

研究内容：
●研究チームは、二重ネットワーク架橋ハイドロゲルマトリックスと内部に周期的に配置された空気チャネルで構成され、体積がわずか2×2×2mm3の「超音波スーパーゲル」と名付けられた新しいセンサー構造を設計・製造しました。この注射可能なセンサーは、研究チームがMofangの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3D印刷技術（nanoArch®S140、精度：10μm）を使用して金型を加工し、その後ハイドロゲル成形によって製造しました。コンピューターシミュレーションと構造の最適化を経て、この特殊構造は 8 ～ 10 MHz の周波数帯域に音響バンドギャップを持ち、入射する超音波に対して強力な反射能力を備えています。ゲル素材は生体適合性があり分解可能な素材でできており、体内に注入してから約 1 か月後に自然に分解されるため、再度頭蓋切開を行って除去する必要はありません。

●ラットとブタの動物実験では、このゲルセンシングシステムは市販の有線臨床機器に匹敵する検出精度を実証し、エネルギー消費と熱影響のなさの点で大きな利点があることが示されました。実験用ブタでは、同期して埋め込まれた有線圧力センサーではこのような微妙な変化を監視できないのに対し、このデバイスはわずかな呼吸による頭蓋内圧の微妙な変動 (約 1 mmHg) も検出できることは特筆に値します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

《Adv.Mater》：高い透水性と通気性、安定した接着性、長期耐久性を備えたアオガエルのひれを模倣したウェアラブルフレキシブル電極

2024年6月、西安交通大学のShao Jinyou氏とTian Hongmiao氏のチームは、アオガエルのひれを模倣し、生理学的電気信号を長期にわたって継続的に監視する非侵襲性で柔軟なウェアラブル電極を提案した。フレキシブル電極は、高精度3Dプリンタ「MMF nanoArch® S130（精度：2μm）」で金型を加工し、導電性複合材料で成型することで作製します。関連する研究結果は、「高透過性、安定した接着性、堅牢な耐久性を備えた、アオガエルにヒントを得たフレキシブル電極」というタイトルでAdvanced Materialsに掲載されました。

背景近年、補助医療、科学訓練、神経科学研究の分野における生理学的電気信号の継続的な深化と広範な応用に伴い、ウェアラブルフレキシブル電極は多くの学者の研究対象となっています。非侵襲性の柔軟な電極は、人体内のイオン電気信号を電子部品で読み取れる電子信号に変換し、両者をつなぐ橋渡しとなります。しかし、高品質な信号取得を実現する方法、さまざまな皮膚条件下での長期にわたる安定した接着を実現する方法、および長期にわたる装着時の快適性を向上させる方法は、フレキシブル電極の応用を妨げる研究上の困難です。研究チームは接着性を改善し、浸透性を高めることができる多くの構造を提案していますが、安定した接着、低い界面インピーダンス、高い浸透性の有機的な統一を達成することは依然として困難です。そのため、高い透水性と通気性、接着安定性を備えたフレキシブル電極の開発が必要です。

△ デザインのインスピレーションと構造の表示——バイオニックのインスピレーション源と電極構造図

研究内容●研究者らは、高い透水性と通気性、安定した接着性、長期耐久性を備えた柔軟なウェアラブル電極を設計した。研究チームは電極の微細構造を設計した後、Mofangの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）技術を使用して一貫性の良い樹脂型を加工し、成形プロセスを通じてバイオニック電極と円錐穴のみを含む電極（比較群）を製造しました。バイオニック電極の乾湿接着力は対照群と比較して2.79/13.16倍向上し、乾湿環境でも安定した接着力を実現しました。

●研究チームはバイオニック電極の順方向および逆方向の水蒸気透過性もテストしました。電極の順方向/逆方向の水蒸気透過性は綿織物と比較して約12/6倍増加し、より優れた通気性を実現しました。最後に、研究チームはさまざまな生理学的電気信号を収集し、分析しました。報告された文献と比較して、本論文で提案されたバイオニック電極は、機械的特性、電気的特性、電極性能において優れたバランスのとれた性能を示しています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1002/adma.202404761

積層造形：繊維の周期構造を制御するモジュール設計の押出ヘッド

2024年6月、西湖大学工学部の周南佳氏のチームは、マルチマテリアル直接描画プロセスを使用して制御可能な周期構造を持つ繊維を押し出し、空間的にプログラム可能な周期構造を持つ3Dオブジェクトを製造する押し出しヘッドを設計するためのモジュール戦略を提案しました。研究結果は、「モジュール設計の押し出しヘッドによるプログラム可能な周期的フィラメント構造のマルチマテリアル押し出し」というタイトルで学術誌Additive Manufacturingに掲載されました。

△モジュール設計の押出機ヘッドによるプログラム可能な周期的フィラメント構造のマルチマテリアル押出

背景ダイレクトインクライティング（DIW）は、コスト効率と材料の互換性の点で大きな利点があり、広く使用されているマルチマテリアル押し出し加工方法です。押し出しプロセスにおける複数の材料のプログラム可能性を拡張するために、マイクロ流体押し出しヘッド設計を使用して多機能繊維構造が作成されました。しかし、高解像度のマイクロ流体の設計と製造は複雑なため、押し出しヘッドの構造オプションは依然として限られています。

△(a): 直列型（左）と直列並列型押出ヘッド（右）の写真。 (b): カスタマイズされた 4 軸印刷プラットフォーム (左) と 3D 印刷装置に組み立てられた押し出しヘッド (右)。スケールバー、5 mm (a)。

研究内容 ウェストレイク大学工学部の Nanjia Zhou 氏のチームは、制御可能な周期構造を持つ繊維を押し出すマルチマテリアル直接書き込みプロセスを使用し、空間的にプログラム可能な周期構造を持つ 3D オブジェクトを製造する押し出しヘッドを設計するためのモジュール戦略を提案しました。異なる機能を持つモジュールを、直列接続、並列接続、直並列接続などのさまざまな方法で接続して組み立てることで、層状構造やチェッカーボード構造のマルチマテリアルファイバーを作成できます。ファイバー内部の周期構造は、プロセスパラメータ、モジュールの種類、数量、サイズを調整することで制御できます。モジュラープラットフォーム戦略により、押し出しヘッド設計の難しさが大幅に簡素化され、周期構造繊維の処理効率が向上します。押出ヘッドは、BMF社の高精度nanoArch® P140およびS140高精度DLP 3Dプリンター装置（精度：10μm）を使用した一体成形により製造されています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104234
ネイチャーコミュニケーションズ：超高速応答静電容量式電子皮膚

南方科技大学材料科学工学部の郭伝飛教授、中国科学技術大学現代機械工学部の王劉教授、中国商用飛機集団有限公司の陳英春研究員が協力し、超高速応答の静電容量式電子スキンを開発した。研究チームは、微細構造界面でのエネルギー散逸が静電容量型フレキシブル圧力センサーの応答回復速度に与える影響について詳細な研究を行い、微細構造界面での統合接合技術を使用して、このタイプのセンサーの周波数帯域幅を数百ヘルツから少なくとも12,500 Hzに拡大しました。この研究は、動的圧力検出から音響場まで、静電容量型フレキシブル圧力センサーの応用を促進するための新しいアイデアを提供します。

関連する結果は、「接着された微細構造インターフェースによる10kHz以上の帯域幅を備えた超高速圧電容量性ソフト圧力センサー」というタイトルで学術誌「ネイチャーコミュニケーションズ」に掲載されました。南方科技大学材料科学工学部の博士課程学生である張元、中国科学院深圳先進技術研究所の上級エンジニアである周暁夢、中国科学技術大学現代機械学部の修士課程学生である張念が、この論文の共同筆頭著者です。郭伝飛教授、王劉教授、陳英春研究員が共同責任著者です。南方科技大学は、この論文の最初の責任ユニットです。

研究チームは有限要素シミュレーションを通じて、微細構造界面が接着・脱着プロセス中に大きなエネルギー散逸を引き起こし、それがある程度デバイスの応答速度の低下につながることを発見しました。この問題を解決するために、研究チームは微細構造界面に統合接合技術を使用し、それをエラストマー-カーボンナノチューブのパーコレーション遷移検知機構と組み合わせることで、高感度を確保しながらセンサーの応答速度を12,500 Hzまで高めることに成功しました。研究チームは、MMF nanoArch® S130（精度：2μm）3Dプリンティング装置を使用して、マイクロコーン構造テンプレート（直径：50μm、高さ：40μm）の高精度印刷を実現し、リバースモールディング技術を組み合わせて柔軟なPDMS-CNTsマイクロ構造誘電体層を準備しました。ドープされたカーボンナノチューブを使用して粘弾性を低減し、結合された微細構造インターフェースと組み合わせて界面摩擦エネルギーの散逸を低減することで、センサーの超高速応答が実現します (図 1)。

図1. 非結合および結合微細構造界面を持つセンサーの負荷および除荷時のエネルギー損失と、結合微細構造界面を持つセンサーの応答回復時間の比較

結合されたマイクロコーンインターフェースは、接触分離プロセス中のエネルギー散逸を削減し、それによってセンサーの応答速度と回復速度を向上させることができます。研究チームはさらに、有限要素シミュレーションを通じて、マイクロコーン構造が応答と回復時間に与える影響を研究しました。マイクロコーン構造の 3 つの重要なパラメータ (高さ H、初期接触面積 A0、直径 D) を調整することで、さまざまなパラメータを持つマイクロコーン構造が応答と回復時間に与える影響を研究し、低いエネルギー散逸、高い感度、高い機械的安定性のバランスを実現しました。

オリジナルリンク:

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47408-z

マイクロナノ3Dプリンティングの開発<br /> マイクロナノ 3D プリンティングは、高精度の材料成形技術とコンピュータ支援設計およびデジタルモデルを組み合わせて、小さな物体や微細構造の精密な印刷を実現する高精度製造技術です。マイクロエレクトロニクス、マイクロメカニクス、マイクロオプティクスなどの分野で広く使用されています。マイクロナノ3Dプリンティングも、現在、世界の先進製造業のホットスポットの1つです。光学、医療、電子工学などの応用分野におけるデバイスの小型化、機能化、統合の発展傾向に伴い、ますます多くのデバイスのコア設計が3Dの複雑なマイクロナノ構造に依存しています。

現在、ナノスケールの製造（加工）を実現でき、すでに実用化または実用化されている主な技術経路には、深紫外線リソグラフィー、ナノインプリント、電子ビーム加工（電気エネルギーを最終的に熱エネルギーに変換）、イオンビーム加工（電気エネルギーを運動エネルギーに変換）、イオンエッチング、イオンプレーティング、イオン注入などがあります。マイクロナノ3Dプリント技術の大カテゴリは、複雑な3Dマイクロナノ構造、高アスペクト比のマイクロナノ構造、複合材料3Dマイクロナノ構造の製造に大きな潜在力と優れた利点を持っています。また、設備が簡単で、効率が高く、材料の範囲が広く、マスクや金型なしで直接成形できるなどの利点もあります。

マイクロナノ3Dプリンティングは、サイエンスやネイチャーなどのトップジャーナルに頻繁に掲載され、科学研究とイノベーションのホットスポットになりつつあります。

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