繊毛もチップにできる！コーネル大学の中国人博士課程学生の初の論文がネイチャーの表紙に掲載

チップを作る上で最も重要な部分は何ですか?

より高度な製造プロセスを使用してトランジスタ密度と計算能力を向上させることに加えて、チップ内部の信号の伝送と制御も不可欠な部分です。

「繊毛チップ」、もっと知ってますか？

もちろん、まず繊毛が何をするのかを見てみましょう。

繊毛は生物の中で最も勤勉なメッセンジャーであり、伝達者とも言えます。もっと直接的に言えば、繊毛は最も柔軟に液体を「運ぶ」器官です。

これらの細い毛は、リズミカルな拍動を通じて、脳内の脳脊髄液を含む体内の体液を移動させ、肺から痰や汚れを除去し、他の臓器や組織を清潔に保っています。

長年にわたり、人々は計算と制御の分野で繊毛の魔法の能力を吸収、つまり「借りる」ことを望んできました。

しかし、それはミクロレベルです。この「奇跡」を生物の中で再現するのは極めて困難です。過去数年間、光学、磁気、電気駆動の研究は大きな進歩を遂げてきましたが、エンジニアリング応用価値を持つ「繊毛駆動」プラットフォームを実現するのは依然として困難です。

現在、この困難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、顕微鏡レベルで繊毛を使って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、マイクロマシニングプロセスの支援などを行うための低コストのポータブル診断装置を実現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ネイチャー誌の最新号に掲載されている。最初の論文は中国の博士課程学生である王偉氏（上の写真）が共著者であり、2番目の論文は中国のポスドク研究員である劉青坤氏が共著者である。この論文は2,300回以上引用されており、H指数は24である。

王偉氏は、光、磁気、静電気力で人工繊毛を駆動する方法はすでにたくさんあるが、新しいナノアクチュエータを使用して個別に制御可能な人工繊毛を実現したのは私たちのチームが初めてだと語った。

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

このネイチャー誌の論文では、研究者らは、表面近くの液体に任意の流れパターンを生成できる、電子的に駆動する人工繊毛を備えたアクティブメタサーフェスを構築しました。

研究者らはまず、表面の流れを駆動するために、1ボルトの駆動電圧で毎秒数十ミクロンの速度で一方向に移動する電圧駆動繊毛を構築した。繊毛単位細胞は、局所的にさまざまな要素の流れを生成し、さまざまな幾何学的形状を形成できます。

表面電気化学アクチュエータに基づく人工繊毛

研究者らは、これらのユニットセルを組み合わせることで、任意のフローパターンを生成し、これらのモード間を柔軟に切り替えることができるアクティブな繊毛メタサーフェスを作成しました。

これらの結果は最終的に実験と理論計算によって確認されました。

研究者らは、これらの結果が、マイクロ流体ポンピングからマイクロロボットの動きまで幅広い用途を持つ、将来の微細マイクロ流体操作への新たな道を開くものだと述べている。

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 個の正方形ユニットが含まれ、各ユニットには 8 本の繊毛アレイがあり、各アレイには 8 本の繊毛があり、各繊毛の長さは約 50 ミクロンで、約 1,000 本の人工繊毛で構成された「カーペット」を形成します。

各繊毛に振動電圧が加えられると、その表面は周期的に酸化と還元を起こし、繊毛が前後に曲がり、毎秒数十ミクロンの速度で液体を送り出します。

さまざまな繊毛配列を独立して活性化できるため、生体に見られる繊毛とほぼ同じくらい柔軟性のある、無限の流れパターンと経路が作成されます。

コーネル大学の物理学教授であり、責任著者であるイタイ・コーエン氏が主導するこの研究は、繊毛装置の中核部品としてプラチナベースの電動アクチュエーターを採用している。

コーエン氏のチームは以前、マイクロロボットが歩行できるようにする同様のシステムを構築した。実際、マイクロロボットの「脚を曲げる」機械原理はこの研究と非常に似ていますが、繊毛系の具体的な機能と用途は異なり、非常に柔軟です。

繊毛ユニットによって生成される複数の流路

「繊毛を個別に操作できるようになれば、流体を好きなように操作、制御できるようになります」とコーエン氏は言う。「複数の独立した軌道を作成したり、流れを円形にしたり、2 つの経路に分割してから 1 つに統合したりできます。3 次元の経路を設計することもできます。可能性は無限です。」

「既存のプラットフォームを使用して、小さく、水中で機能し、電気的に処理可能で、興味深い電子デバイスと統合できる繊毛を作成するのは非常に困難でした。現在、この問題は解決されています。このプラットフォームにより、次世代のマイクロ流体デバイスを開発できると期待しています」と彼は語った。

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を開発しました。これは実際には「電子頭脳」であり、従来のコンピュータシステムに制約されることなく繊毛を動作させることができ、現場で実行できる一連の低コストの診断テストの開発への扉も開きます。

コーエン氏は、将来的には、この1センチ四方の小さな装置に一滴の血液を垂らすだけであらゆる検査ができるようになる可能性があると語った。ポンプやその他の機器は不要で、太陽の下に置くだけで機能し、コストはおそらく 1 ドルから 10 ドル程度です。