中国の科学者は、わずか4ドルで市販の顕微鏡に匹敵する性能を持つ顕微鏡の3Dプリントを実現した。

出典: 高分子科学の最前線

顕微鏡の発明により、広大な宇宙から小さな細胞や微生物に至るまで、世界を明確に理解できるようになりました。これらはすべて、科学の発展と人類社会の進歩を促進しました。

しかし、従来の加工・製造方法では顕微鏡は高価で組み立てが難しく、顕微鏡の広範な使用がある程度制限されます。

今日、3D プリンティングは、従来の顕微鏡製造のコスト障壁を打ち破ることでその力を発揮しています。

△ 左が責任著者の孫成教授、右が第一著者の海日涵氏。

最近、米国ノースウェスタン大学の孫成教授のチームは、5つの3Dプリント部品と4つの既製部品で構成された幅わずか8mmの顕微鏡を設計しました。この顕微鏡の性能は市販品と同等であり、さまざまなニーズに応じてカスタマイズして迅速に製造できるため、顕微鏡製造のコストと複雑さが大幅に削減されます。この研究は、「低コストの小型収容型光学顕微鏡の3Dプリント」というタイトルでAdvance Materials誌に掲載されました。

△図 | （出典：アドバンスマテリアルズ）

△ 自然のハイライト

3D プリント、高速!正確な！品質が良く、価格も安い！

科学技術の発展に伴い、小型化されたイメージングプラットフォームへの関心が高まっています。しかし、ますます小型化する光学部品や光学機械部品を扱うには、回折限界の性能を実現するために、高い製造精度と厳しいシステムアセンブリ許容範囲が必要です。

従来のレンズ製造は、研削と研磨の工程に依存しており、多くの時間がかかります。また、射出成形には精密に機械加工された金型も必要です。これらの方法により、顕微鏡の製造コストが高くなります。そしてその後の組み立てでは、各部品を正確に位置合わせして取り付ける専門の人員も必要となり、非常に手間がかかります。

3D プリンティング (AM) は、この障壁をうまく打ち破りました。コンピューターのデジタルモデルを使用して迅速に製造できるため、既存の光学製造プロセスが変更され、製造サイクルとコストが削減され、パフォーマンスが向上します。さらに、3D プリントによる複雑な部品の印刷可能性により、顕微鏡部品数削減 (PCR) が可能になり、既存の複数コンポーネント部品を置き換えることができます。

さらに、3D プリントされたパッシブアライメント機能により、アクティブアライメント用の精密な機構を必要とせずにすべてのコンポーネントをすばやく結合できるため、システムの組み立てがさらに簡素化されます。

この論文では、研究者らが投影マイクロステレオリソグラフィー (PμSL) 技術を使用して顕微鏡レンズを作製しました。PμSL は、1 回の露光でレンズ面全体を硬化させることで 3D プリントを実行します。1.25×104 mm 3 /h の体積印刷速度で、高さ 3 mm のレンズを 3 分で 3D プリントできます。

さらに、PCR 戦略により、顕微鏡システムの部品数は、3D プリントされたコンポーネント (レンズ、弾性レンズホルダー、フロントカバー、クラムシェル (2 つのハーフシェル)) と 4 つの既製コンポーネント (赤外線カットオフフィルター、リングマグネット、コイル、CMOS センサー) の 5 つにまで削減されました。また、この顕微鏡のレンズは市販のレンズと交換できるため、互換性が向上します。

リング磁石、弾性レンズホルダー、コイルで構成されるボイスコイルモーター (VCM) には、ほぼゼロのポアソン比を備えた 3D プリント可能な互換ベースがあり、フォーカス時の干渉を最小限に抑え、画像倍率のカスタマイズ性を維持します。すべての光学部品と機械部品は、50 分以内に一度に 3D プリントされました。

この顕微鏡の大きさはわずか 8.10×8.10×29.85 mm 3 で、製造コストはわずか 3.74 ドルです。

△図 | 3Dプリントマイクロコンテインメント光学顕微鏡のシステム設計と組み立てフローチャート。（出典：本論文）

△3Dプリントされたマイクロコンテインメント光学顕微鏡（出典：論文）

顕微鏡の詳細な設計とテスト特性

まず、研究者らは、交換可能なレンズ（AM30（自社製3Dプリント非球面レンズ）、E30（15-271、Edmund Optics）、T30（APL0303、Thorlabs Inc.））をそれぞれ実験的に特性評価しました。

結果によると、3 つのレンズすべてが滑らかな非球面を備えていますが、E30 と T30 には追加の表面の隆起が見つかりました。その後、研究者らは光学式表面形状測定器を使用して表面を測定し、その滑らかさを確認した。結果から、AM30 の表面の滑らかさが最も優れていることがわかります。

△図 | 3Dプリント光学顕微鏡撮像レンズの設計と特性評価。（出典：本論文）

第二に、研究者らはVCMに関する調査を実施しました。コンポーネントは設計、製造され、特性評価されました。 VCM アセンブリは、電磁作動によって撮像レンズの焦点を合わせるように設計されており、電磁コイル、リング磁石、フレキシブルベース、および撮像レンズベースで構成されています。部品は組み立てプロセスを簡素化するために慎重に設計されています。

弾性レンズシートは、レンズシート、環状磁石シート、フレキシブルベースの 3 つの部分で構成されています。研究者らは、PCR 設計を通じて弾性レンズホルダーをモノリシック弾性レンズホルダーに統合しました。

撮像レンズの軸方向の移動は、コイルと磁石からの電磁力と柔軟な基盤からの弾性力のバランスによって決まります。研究者らは、圧縮テストで使用される境界条件のシミュレーションにも ANSYS を使用しました。

柔軟な基礎の主な設計変数は支柱角度 (θ) であり、これは -4.5° から +10° まで変化します。研究者らは、十分な軸方向変形（> 1.0 mm）を達成しながら、VCM 作動中の外乱を最小限に抑えるために半径方向変形を減らすために θ を最適化しました。

圧縮試験中、製作された柔軟な基礎は高度な線形挙動を示し、数値シミュレーションの結果を裏付けました。

さらに、研究者らは、N50 ネオジムリング磁石 (R0545、SuperMagnetMan) に及ぼされる磁力をシミュレートしました。ANSYS シミュレーションでは、最大軸方向変形 1.17 mm を達成するには 52.96 mN の力 (コイル/磁石が設計された変位範囲内で容易に得られる力) が必要であることが示され、論文で提案されている軸方向移動メカニズムの実現可能性が検証されました。周期的な収縮と伸長の運動中、レンズホルダー内のシミュレートされた変位場は主に光軸に沿って移動します。

△図｜弾性レンズマウントの動作原理と最適化。（出典：本論文）

わかりやすくて使いやすい

最後に、研究者らは AM30 を使用して、組み立てられたマイクロ顕微鏡の性能を実験的に検証しました。実験は一対の生物標本を使用して実施され、その結果、軸方向の空間オフセットは1.0 mm、横方向のオフセットは0.8～1.2 mmであることが示されました。軸方向のオフセットはシステムの被写界深度 (DOF) よりも大きいため、研究者は VCM を駆動して撮像レンズを移動させ、目的の物体に焦点を合わせます。

研究者たちは次に、イエバエとハチをサンプルとして使用しました。イエバエに焦点を合わせると、そのグリッド構造がはっきりと観察できました。次に、ハチに焦点を合わせると、鮮明な関連画像も観察できました。フォーカススタッキング後、単一のフレームと比較して品質が低下することなく、両方のオブジェクトに同時に焦点が合うため、システムの DOF が拡張されます。

△図 | フォーカス重ね合わせによるアクティブフォーカスと被写界深度の拡大のデモンストレーション。（出典：本論文）

研究者らは、見かけの画像コントラストが低いために焦点スタッキング再構成の忠実度が低下したにもかかわらず、実験では異なる製造方法による光学部品をうまく統合し、報告された統合 AM 製造と PCR 戦略の利点を実証したと述べています。

要約すると、研究者らは統一された付加製造プロセスを確立し、PCR 戦略とパッシブアライメント機能を実装することで、小型イメージングシステムの組み立ての難易度を改善し、コストを節約しました。さらに、デジタル製造プロセスに伴う柔軟性により、この低コストのイメージングプラットフォームは簡単にカスタマイズでき、オープンソースプロジェクトとしてより広範なユーザーコミュニティに配布できるため、積層造形のアプリケーションシナリオが大幅に拡大します。

--繊維の推奨--

参考文献:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208365?af=R

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00072-7

中国の科学者は、わずか4ドルで市販の顕微鏡に匹敵する性能を持つ顕微鏡の3Dプリントを実現した。

南方医科大学は、パーソナライズされた「部品」を印刷することを目指して、骨の人工装具を3Dプリントしようと試みている。

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