世界初のチップベースのポータブル 3D プリンターが登場しました。サイズはわずかコインサイズです。

2024年6月7日、アンタークティックベアは、MITとテキサス大学オースティン校の研究者が初のチップベースの3Dプリンターを発売したことを知りました。このデバイスはミリメートル規模のフォトニックチップのサイズで、再構成可能な光線を使用して樹脂を固体形状に固めます。この小型でポータブルな印刷デバイスは、手のひらにすっぽり収まるので、ユーザーはいつでもどこでも、ぐらついた自転車の車輪を固定するための留め具や、重要な医療処置用の部品など、パーソナライズされた便利なアイテムを素早く作成できます。

関連研究は、「論文：「シリコンフォトニクス対応チップベース 3D プリンター/シリコンフォトニクスに基づくチップベース 3D プリンター」」というタイトルで、Light: Science & Applications 誌に掲載されました。この論文は、ロバート・J・シルマン電気工学・コンピューターサイエンス（EECS）キャリア開発教授であり、電子工学研究室のメンバーでもあるジェレナ・ノタロス氏が主導しました。この論文にノタロス氏とともに参加しているのは、筆頭著者のサブリナ・コルセッティ氏、EECS大学院生、ミリカ・ノタロス博士課程23年卒、EECS大学院生のタル・スネ氏、テキサス大学オースティン校の最近卒業したアレックス・サフォード氏、テキサス大学オースティン校の化学工学助教授ザック・ペイジ氏です。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41377-024-01478-2
この研究の概念実証デバイスは、再構成可能な光線を樹脂ウェルに放射するミリメートル規模のフォトニックチップで構成されており、光が当たると固体の形状に固まります。
△チップベースの 3D プリンターのコンセプトプロトタイプチップには可動部品はありませんが、光線を制御するためにマイクロ光アンテナアレイに依存しています。ビームは液体樹脂に向かって上向きに投射され、ビームの波長の可視光にさらされると急速に固まります。
学際的な研究チームは、シリコンフォトニクスと光化学を組み合わせることで、光線を誘導してMITの文字を含む任意の2次元パターンを3Dプリントできるチップの開発に成功しました。わずか数秒で、形が完全に形成されます。
長期的には、フォトニックチップを樹脂ウェルの底に配置し、可視光の3Dホログラムを放射して、物体全体を1ステップで急速に固めるシステムを構想している。
このポータブル 3D プリンターには、臨床医がカスタマイズされた医療機器コンポーネントを作成したり、エンジニアが現場で迅速にプロトタイプを作成したりできるなど、さまざまな用途があります。
「このシステムは3Dプリンターを完全に再定義する」と論文の著者であるジェレナ・ノタロス氏は言う。「実験台の上に置いて何かを作る大きな箱ではなく、手で持って持ち運べるものだ。このシステムから生まれる新しい用途や、3Dプリントの分野がどのように変化するかを考えるのはワクワクする。」
チップを使った印刷
シリコンフォトニクスの専門家であるノタロス氏のチームは、半導体製造プロセスを使用してチップ上に作られた小さなアンテナのアレイを使用して光線を操縦する統合光フェーズドアレイシステムを以前に開発しました。アンテナアレイの両側で光信号を加速または遅延させることにより、送信ビームを特定の方向に移動させることができます。
△ 3D プリンター統合光フェーズドアレイアーキテクチャ△チップベースの 3D プリンター設定、放射パターン、ボクセル特性。
このようなシステムは、近くの物体に反射する赤外線ビームを放射して周囲の地図を作成するライダーセンサーにとって重要です。最近、チームは拡張現実アプリケーション向けに可視光を放射して照射するシステムに重点を置いています。
彼らは、この装置がチップベースの3Dプリンターで使用できるかどうか疑問に思いました。ブレインストーミングを始めたばかりの頃、テキサス大学オースティン校の Page グループは、可視光の波長を使用して急速に硬化できる特殊な樹脂を初めて実証しました。これは、チップベースの 3D プリンターを実際の製品に変えるために非常に必要なコンポーネントです。
「光硬化性樹脂は赤外線波長で完全に硬化するのが難しいため、これまでは統合型光フェーズドアレイシステムが LiDAR 用に使用されていました」とコルセッティ氏は語ります。「ここでは、可視光硬化性樹脂と可視光発光チップを使用して、標準的な光化学とシリコンフォトニクスのバランスを見つけ、このチップベースの 3D プリンターを作成しました。2 つの技術を 1 つに統合するというまったく新しいアイデアです。」
彼らのプロトタイプデバイスは、厚さ 160 ナノメートルの光アンテナアレイを含むフォトニックチップで構成されています。 (紙の厚さは約 100,000 ナノメートルです。) チップ全体は 25 セント硬貨 1 枚に収まります。
オフチップレーザーによって電力が供給されると、アンテナは光硬化性樹脂の槽内に操作可能な可視光線を放射します。チップは、顕微鏡で使用されるものと同様の透明なガラススライドの下に置かれ、樹脂を保持するための浅いくぼみがあります。研究者たちは電気信号を使ってビームを非機械的に操縦し、ビームが当たった場所で樹脂を固めました。
コラボレーション方法<br /> 一般的に言えば、振幅や位相を変えることを含め、可視波長の光を効率的に変調することは特に困難です。一般的なアプローチの 1 つはチップを加熱することですが、この方法は非効率的であり、多くの物理的なスペースを占有します。
代わりに、研究者たちは液晶を使用して、チップ上に統合されたコンパクトな変調器を作成しました。この材料のユニークな光学特性により、変調器は非常に効率的になり、長さはわずか約 20 ミクロンになります。チップ上の単一の導波路がオフチップレーザーからの光に対応します。導波管は、少量の光を各アンテナに分岐させる小さなタップで覆われています。
研究者たちは電界を利用して変調器を能動的に調整し、液晶分子を特定の方向に向け直した。これにより、アンテナに送られる光の振幅と位相を正確に制御できるようになります。しかし、ビームの形成と制御は戦いの半分にしか過ぎません。新しい光硬化樹脂との接合はまったく別の課題です。
テキサス大学オースティン校のペイジ氏のチームは、マサチューセッツ工科大学（MIT）のノタロス氏のチームと緊密に協力して化学物質の組み合わせと濃度を微調整し、最終的に保存期間を延ばし、硬化を早める配合にたどり着いた。最終的に、チームはプロトタイプを使用して、任意の 2 次元形状を数秒で 3D プリントしました。
△チップベース3Dプリンター非機械式ビーム制御、ライン印刷、任意の2Dパターン印刷。
このプロトタイプを基に、彼らは当初構想したようなシステム、つまり樹脂ウェル内に可視光ホログラムを放出し、1 ステップで立体的な 3D プリントを可能にするチップを開発したいと考えています。
「これを実現するには、まったく新しいシリコンフォトニックチップの設計が必要です」とジェレナ・ノタロス氏は言う。「この論文では、最終的なシステムがどのようなものになるかを詳しく説明しました。現在、私たちはこの最終的な実証に向けて作業を継続できることに興奮しています。」
この研究は、国立科学財団、国防高等研究計画局、ロバート A. ウェルチ財団、MIT ロルフ G. ロック寄付フェローシップ、および MIT フレデリック & バーバラクローニンフェローシップから部分的に資金提供を受けました。

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