クモの巣着想の3Dフォトディテクタ、生体医用イメージングで高性能発揮

クモの巣のフラクタル構造を模倣

パデュー大学のイノベーターたちは、クモからヒントを得て、生体医用イメージング向けのより優れた3Dフォトディテクタを開発しています。

クモの巣の繰り返し建築パターンに着想を得て、チームは昆虫や甲殻類の複眼視覚システムのように、入射光の方向と強度を同時に検出できる、耐久性のあるドーム型フォトディテクタアレイを実証しました。

「クモの巣のユニークなフラクタル設計を、あらゆる3D曲面とシームレスにインターフェースできる変形可能で信頼性の高いエレクトロニクスの開発に採用しました」と、パデュー大学生体医工学および機械工学助教授のチ・ホワン・リー氏は述べています。

3D光電子アーキテクチャの価値

このような3D光電子アーキテクチャは、より広い視野、より広い視野角、動きに対するより高い感度を必要とするフォトディテクションシステムに特に価値があります。

この研究はオンラインジャーナルAdvanced Materialsに掲載されています 。

なぜクモの巣なのか？

クモの巣は、嵐の中でも様々な機械的荷重に対する優れた機械的適応性と損傷耐性を提供することでよく知られています。

リー氏とチームのフラクタル巣設計のユニークな構造的特性は、外部荷重を効果的に許容することでデバイスを保護します。

自然の建築に着想を得て、リー氏とチームの光学配置は、螺旋と放射寸法の有効比に従って外部誘導応力を糸全体に分散させます。

半球形フォトディテクタアレイは、有機染料感作材料であるグラフェンハイブリッド複合材を含みます。デバイスはまずマイクロスケールで平面シリコンウェハ上に作製され、その後決定論的な方法で異なる曲率の透明半球ドームに転写されます。

「巣」はより大きな伸展性を提供し、伸張時により良く力を分散させます。さらに、設計は糸の軽微な切断を許容しながら、巣アーキテクチャ全体の強度と機能を維持します。

Tech BriefsとのQ&A

以下の簡潔な編集済みQ&Aで、リー教授がクモ構造が如何に新しい種類の変形可能エレクトロニクスを導くかを説明します。

Tech Briefs: なぜ光電子アーキテクチャに巣のような設計が価値があるのですか？

チ・ホワン・リー教授: 曲面に配置された光電子材料とデバイスは、収差なしの広視野を可能にする質的に拡張された機能レベルを提供し、節足動物の複眼視覚システムに類似します。これらの3D光電子アーキテクチャは、広視野と広角反射防止を必要とするフォトディテクションシステムに特に魅力的です。複眼模倣システムを設計するための最も有望な手順は、光感受性ピクセルを慎重に整列させた状態で曲面や半球面に直接印刷することです。

Tech Briefs: このタイプの設計で最もエキサイティングな応用や可能性は何ですか？

リー教授: これらの取り組みは様々な3D形状のフォトディテクタ実現への道を開きますが、この分野の進展は、マイクロスケールで非平面面上に光電子デバイスとコンポーネントを組み立てる複雑さと、フォトディテクタアレイの形状を固定された半球曲率に合わせることによって妨げられています。

この課題に取り組むため、自然界に見られるクモの巣の構造建築、すなわちフラクタル設計を採用しました。これは環境からの様々な機械的荷重に効率的に抵抗できます。全スケールで繰り返しパターンを示すフラクタル巣設計は、ユニークな能力を提供します：（1）螺旋と放射寸法の有効比に従って外部誘導応力を糸全体に分散；（2）より大きな伸展性で伸張時の力をより良く分散；（3）糸の軽微な切断を許容しながら巣アーキテクチャ全体の強度と機能を維持。

性能と今後の展開

Tech Briefs: アレイの性能はどうですか？

リー教授: 我々の3Dフォトディテクタは、入射光の方向と強度の両方を検出する先進的な光電子機能を提供するだけでなく、新規な有機染料感作グラフェンハイブリッド複合材を柔軟で効果的な光活性コンポーネントとして使用することで、他の類似品と比較して優れた光応答性を実現します。

その結果得られる3D光電子アーキテクチャは、広視野と広角反射防止を必要とするフォトディテクションシステムに特に魅力的であり、多くの生体医用および軍事用イメージング目的で有用となるでしょう。

Tech Briefs: 研究の次のステップは？

リー教授: 我々の研究は、フラクタル巣設計をシステムレベルの半球エレクトロニクスとセンサと統合できるプラットフォーム技術を確立し、様々な機械的荷重に対する優れた機械的適応性と損傷耐性を提供します（クモの巣のように）。この研究で提示された組立技術により、2D変形可能エレクトロニクスを3Dアーキテクチャに展開可能になり、3D電子・光電子デバイス分野をより良く前進させる新たな機会を予感させます。米国特許をOTCを通じて出願中で、パートナーを探しており、技術ライセンスも検討しています。

この研究は、全米科学財団（NSF; CMMI-1928784）と空軍研究所（AFRL; S-114-054-002）の支援を受け、パデュー大学ECEのムハマド・アシュラフ・アラム教授研究室との共同で行われました。研究成果はAdvanced Materialsに掲載されています 。

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