繊毛はチップとしても使えます！コーネル大学の中国人博士課程学生による研究がネイチャー誌の表紙に掲載

チップを取得する際に最も重要なことは何ですか?

より高度な製造プロセスを使用してトランジスタ密度を高め、より大きな計算能力を得ることに加えて、チップ内の内部信号の送信と制御も重要な部分です。

「繊毛チップ」について知りたいですか？

もちろん、まずは繊毛が何をするのか見てみましょう。

繊毛は、生物の中で最も勤勉なメッセンジャーであり、より直接的に言うと、液体の最も柔軟な「ポーター」であると言えます。

これらの細い毛は、リズミカルな鼓動を通じて、脳内の脳脊髄液などの体内の体液を輸送し、肺から痰や汚れを除去し、人間の他の臓器や組織を清潔に保ちます。

長年にわたり、人々はコンピューティングと制御の分野で繊毛の魔法の能力を吸収、または「借りる」ことを望んできました。

しかし、ミクロレベルでは。この生物で「奇跡」を再現することは非常に困難です。ここ数年、光学、磁気、電気ドライブの研究は大きく進歩しましたが、工学的応用価値を備えた「繊毛駆動」プラットフォームを実現するのはまだ困難です。

さて、この問題はコーネル大学の研究者グループによって解決されました。

彼らは、繊毛を使用して顕微鏡スケールで液体の動きを制御できる、プラチナベースのコンポーネントを使用した小型人工繊毛システムを設計しました。将来的には、血液サンプルの検査、細胞活動の操作、または微細加工プロセスの補助に使用できる、低コストのポータブル診断装置を実装できる可能性があります。

現在、この研究を発表した論文は最新のNatureに掲載されています。最初の論文は中国の博士課程学生であるWang Wei氏（上の写真）、2番目は中国の博士研究員Liu Qingkun氏によるものです。 2,300 回以上引用されており、H インデックスは 24 です。

光、磁気、または静電気力によって駆動される人工繊毛を作成する方法はすでにたくさんありますが、新しいナノアクチュエーターを使用して個別に制御可能な人工繊毛チームを実現するのは私たちが初めてであるとWang Wei氏は述べました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04645-w.pdf

この Nature 論文では、研究者が電子ドライブを構築しています。アクティブなメタサーフェスを生成し、表面近くの液体に任意の流れパターンを生成できます。

研究者らはまず、電圧駆動の繊毛を構築しました。この繊毛は、1ボルトの駆動電圧の下で毎秒数十マイクロメートルの速度で一方向に動き、表面の流れを駆動します。毛様体単位細胞は、局所的に一連の要素の流れを生成し、さまざまな幾何学的形状を形成することができます。

表面電気化学アクチュエーターに基づく人工繊毛

これらの単位セルを組み合わせることで、研究者らは、任意の望ましい流れパターンとこれらのモード間の柔軟な切り替えを生成できる活性繊毛メタ表面を作成しました。

これらの結果は、実験と理論計算によって最終的に確認されました。

研究者らは、これらの結果は、マイクロ流体ポンピングからマイクロロボットの動作に至るまでの応用範囲で、将来の微細なマイクロ流体操作に新たな道を開くものであると述べた。

人工繊毛の顕微鏡写真

具体的には、典型的な「繊毛チップ」には16個の正方形のユニットが含まれており、各ユニットには8つの繊毛アレイがあり、各アレイには8つの繊毛があり、それぞれの繊毛の長さは約50ミクロンです。 、約1,000個の人工繊毛の「カーペット」を形成しています。

各繊毛に振動電圧を加えると、表面で周期的な酸化と還元が起こり、繊毛が前後に曲がり、毎秒数十マイクロメートルの速度で液体を送り出します。

異なる繊毛配列は独立して活性化されるため、生物の繊毛とほぼ同じくらい柔軟な、無限の流れのパターンとルートが生成されます。

この研究は、論文の責任著者でコーネル大学の物理学教授であるイタイ・コーエンによって主導され、毛様体デバイスのコアコンポーネントとしてプラチナベースの電気アクチュエーターに基づいて構築されました。

コーエン氏のチームは以前、マイクロロボットの歩行を可能にする同様のシステムを構築しました。実際、マイクロロボットを「脚を曲げる」機械原理はこの研究と非常に似ていますが、毛様体系の具体的な機能と応用は異なり、非常に柔軟です。 「これらの繊毛を個別に処理できれば、これらの流体を任意の方法で正確に操作および制御できるようになります」とコーエン氏は述べ、複数の独立した運動軌道を作成したり、循環流を実現したり、2 つの経路に分割してから 2 つの経路を結合したりすることができます。つまり、すべてが可能になります。「水中で機能し、電気的に加工でき、既存のプラットフォームを使用して興味深い電子機器と統合できる小さな繊毛を作成することは常に非常に困難でした。この問題は今、解決されています。」 、私たちは次世代のマイクロ流体デバイスの開発が期待されています」と彼は言いました。

さらに、研究チームはCMOSクロック回路を搭載した繊毛デバイスも開発しました。これは実際には、繊毛が従来のコンピューターシステムに束縛されずに動作できるようにするための基盤も提供します。オンサイトで実行される低コストの診断テストが可能となる一連のデバイスの開発への扉を開きます。

将来的には、この1cm四方の小さな装置を使って血液を一滴垂らすだけであらゆる検査ができるようになることが考えられるとコーエン氏は語った。ポンプやその他の設備は必要なく、太陽の光に当てておくだけで機能し、費用はわずか 1 ドルから 10 ドル程度です。

以上が繊毛はチップとしても使えます！コーネル大学の中国人博士課程学生による研究がネイチャー誌の表紙に掲載の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。