スパイダーに着想を得たデザインが、より優れた光検出器への道を開く

パデュー大学のイノベーターは、生物医学画像用のより優れた3D光検出器を開発するために、クモからヒントを得ています。

チームは、クモの巣の繰り返しのアーキテクチャパターンに触発され、昆虫や甲殻類などの節足動物の複眼ビジョンシステムのように、入射光の方向と強度の両方を同時に検出する、弾力性のあるドーム型の光検出器アレイを実証しました。

「3D曲線表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電子機器の開発に、クモの巣の独自のフラクタルデザインを採用しました」と、生物医学工学および機械工学のPurdue助教授であるChiHwanLee氏は述べています。

このような3Dオプトエレクトロニクスアーキテクチャは、より広い視野、より広い視野角、および動きに対するより高い感度を必要とする光検出システムにとって特に価値があります。

この作品は、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

蜘蛛の巣は、嵐の中でも、さまざまな機械的負荷に対して優れた機械的適応性と損傷許容性を提供することでよく知られています。

リーと彼のチームのフラクタルウェブデザインのユニークな構造特性は、さまざまな外部負荷に効果的に耐えることによってデバイスを保護します。

自然の建築に触発されたリーと彼のチームの光学配置は、スパイラル寸法とラジアル寸法の有効な比率に従って、外部から誘発された応力をスレッド全体に分散させます。

半球型光検出器アレイには、有機色素増感材料であるグラフェンハイブリッド複合材料が含まれています。このデバイスは、最初にマイクロスケールの平面シリコンウェーハ上に製造され、次に決定論的な方法で曲率の異なる透明な半球形のドームに移されます。

「ウェブ」は、伸ばされた状態で力をよりよく放散するためのより大きな拡張性を提供します。さらに、この設計は、Webアーキテクチャ全体の全体的な強度と機能を維持しながら、スレッドのマイナーなカットを許容します。

簡単に言えば、 Tech Briefs で編集されたQ＆A 以下では、リー教授がスパイダー構造が新しい種類の変形可能な電子機器にどのようにつながるかを説明します。

技術概要 ：オプトエレクトロニクスアーキテクチャがウェブのようなデザインを持つことがなぜ価値があるのですか？

教授チ・ワン・リー： 曲線状の表面全体に配置されたオプトエレクトロニクス材料とデバイスは、質的に拡張されたレベルの機能を提供し、節足動物の複眼視覚システムに似た、収差のない広い視野を可能にします。これらの3Dオプトエレクトロニクスアーキテクチャは、広い視野と広角の反射防止を必要とする光検出システムにとって特に魅力的です。複眼模倣システムを設計するための最も有望な手順は、曲面または半球形の表面に注意深く位置合わせされた方法で感光性ピクセルを直接印刷することです。

技術概要 ：このタイプのデザインで最もエキサイティングなアプリケーションまたは可能性は何ですか？

教授リー： これらの努力は、さまざまな3D形式の光検出器を実現するための道を開きますが、この分野での進歩は、マイクロスケールで非平面表面にオプトエレクトロニクスデバイスとコンポーネントを組み立て、光検出器アレイの形状を固定された半球曲率と一致させる複雑さによって妨げられます。

この課題に取り組むために、環境からのさまざまな機械的負荷に効率的に耐えることができる、自然界に見られるクモの巣の構造アーキテクチャまたはフラクタルデザインを採用しました。すべてのスケールで繰り返しパターンを示すフラクタルウェブデザインは、次のような独自の機能を提供します。 （2）ストレッチの下で力をよりよく放散するためのより大きな拡張性を提供します。 （3）Webアーキテクチャ全体の全体的な強度と機能を維持しながら、スレッドのマイナーなカットを許容します。

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技術概要 ：アレイはどの程度うまく機能していますか？

教授リー： 当社の3D光検出器は、入射光の方向と強度の両方を検出する高度なオプトエレクトロニクス機能だけでなく、柔軟で効果的な光活性成分として新しい有機色素増感グラフェンハイブリッド複合材料を使用することにより、他の同様の対応物と比較して優れた光応答性も提供します。

結果として得られる3Dオプトエレクトロニクスアーキテクチャは、広い視野と広角の反射防止を必要とする光検出システムにとって特に魅力的であり、多くの生物医学および軍事イメージングの目的に役立ちます。

技術概要 ：あなたの研究の次は何ですか？

教授リー： 私たちの仕事は、フラクタルウェブデザインをシステムレベルの半球型電子機器やセンサーと統合できるプラットフォーム技術を確立し、それによってさまざまな機械的負荷に対するいくつかの優れた機械的適応性と損傷許容性を提供します（クモの巣のように）。この作業で提示されたアセンブリ技術は、3Dアーキテクチャで2D変形可能電子機器を展開することを可能にします。これは、3D電子および光電子デバイスの分野をより良く前進させる新しい機会を予見する可能性があります。米国特許はOTCを通じて出願されており、パートナーを探しており、テクノロジーのライセンスも取得しようとしています。

この作品は、国立科学財団（NSF; CMMI-1928784）と空軍研究所（AFRL; S-114-054-002）が、パデュー大学のECEにあるムハンマドアシュラフアラム教授の研究室と協力して支援しています。 。この作品は、Advanced Materials に掲載されています。 。

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