微小循環中の物質輸送センシングに基づく光バイオプシー技術の創出
| Project/Area Number |
18J20513
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Section | 国内 |
|---|
| Research Field |
Thermal engineering
|
|---|
| Research Institution | Keio University |
|---|
| Research Fellow |
橋本 将明 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
|
| Budget Amount *help |
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
|
|---|
| Keywords | 熱駆動MEMSアクチュエータ / 光MEMS / 熱バイモルフ / 切り紙 / 自立ナノ薄膜 / ナノ・マイクロスケール熱工学 / 熱駆動アクチュエータ / 光バイオプシー / 光ドップラー計測 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ナノ・マイクロスケール熱工学の視点から設計された熱駆動式光MEMS トラッキングを提案し、モーションロバストな測定によって消化器腫瘍部位における微小循環動態の定量的センシングを可能にする内視鏡光バイオプシーデバイスの開発を目的としている。本年度は、提案する測定手法を内視鏡デバイスに実装するための不可欠なコア要素であるMEMS アクチュエータの設計・作製・評価に至るまで全て成功した。アクチュエータは臓器運動の変位に追従可能な長ストローク・内視鏡先端部に搭載可能な小型・生体内駆動に安全な低電力駆動といった従来小型アクチュエータにはない革新的な機能を有する必要がある。それらの高度な要求仕様に対して「切り紙」から着想を得ることで、多層ピラミッド状にアクチュエーションするミリ長ストローク熱駆動切り紙MEMS アクチュエータを提案するに至った。提案アクチュエータは切り紙状にエッチングされた低熱膨張率自立薄膜上に高熱膨張率薄膜がパターンされた熱バイモルフ構造を有する。通電加熱時の熱膨張率差によって薄膜上に高密度に配置されたバイモルフエリアが垂直方向に変位することで長ストロークを得る。ナノ薄膜特有の熱物性値 (線膨張率・熱伝導率など) から材料探索を行い、バイマテリアルデバイスであるMEMS アクチュエータを設計した。また、高精細な曲線的バイモルフがナノ薄膜上に成膜される切り紙構造を作製するため、薄膜残留応力を高度に制御したMEMS 作製プロセスを構築した。さらに、アクチュエータの熱-機械応答評価（ストローク、ヒステリシス、温度分布、周波数応答、ステップ応答など）を行い、提案アクチュエータのポテンシャルを実験的に示した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまでに、提案する測定手法を内視鏡デバイスに実装するための不可欠な要素である長ストローク熱駆動切り紙MEMS アクチュエータの設計・作製・評価に成功した。また同時に、フォーカストラッキングを用いたモーションロバストな自家蛍光測定手法の開発にも成功した。それらの成果は学術論文にも掲載されていることから、着実に研究を遂行したといえる。開発したアクチュエータは2 層ナノ薄膜を通電加熱した際の熱膨張率差による曲げを駆動原理とし、ユニークなマイクロスケール多層曲線バイモルフ構造を有する。薄膜残留応力を高度に制御した作製プロセスを構築したことで、自立ナノ薄膜上へのバイモルフパターニングに成功した。作製した低フットプリント・高フィルファクターの小型切り紙アクチュエータは、わずか100 mW 程度の駆動電力でミリスケールの変位が得られることが実験的に示された。また多角的な熱-機械応答評価によってナノ・マイクロスケール特有の伝熱現象が観察され、提案アクチュエータの開発に成功したばかりでなく、提案アクチュエータの応用につながる新たな知見も得られたことから期待以上の研究の進展があった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
開発に成功した長ストローク熱駆動切り紙MEMS アクチュエータのさらなる詳細な熱-機械評価を行った後、その革新的な機能を備えたMEMS アクチュエータの設計・作製方法・デバイス評価といった内容を学術論文誌に投稿する。さらに3D プリンターで造形したマイクロレンズを熱駆動MEMS アクチュエータにアセンブリすることで、ミリ長レンジを有するレンズMEMS スキャナとしての機能を実装する。作製したレンズスキャナを用いて血球細胞からのドップラー信号光を検知する共焦点ドップラー光計測と生体組織由来の自家蛍光計測をMEMS ベースの焦点位置制御を備えた測定システムへと統合・高度化する。これによって臓器運動の変位に追従可能な長ストローク・内視鏡先端部に搭載可能な小型・生体内測定に安全な低電力駆動といった革新的な機能を有する熱駆動切り紙MEMS レンズスキャナをコアとした光MEMS 焦点トラッキング機構が構築され、血球細胞からのドップラー信号光を検知するMEMS センシングシステムが実現する。
|
Report
(2 results)
Research Products
(9 results)
