共同研究・競争的資金等の研究課題

材料の熱膨張率差で動作する熱駆動マイクロアクチュエータをマイクロロボティクスへ応用するためには，アクチュエータの設計形状自由度を従来の2次元から3次元へと拡張させる必要がある．そこで本研究では，熱駆動マイクロアクチュエータの設計形状自由度を3次元へと拡張させるアディティブ・サブトラクティブ光造形微細加工技術を提案し，コンプライアントメカニズムを備えた多自由度熱駆動4Dソフトマイクロアクチュエータを開発する． 熱バイモルフ (熱膨張率の異なる材料で構成される2層構造) を駆動源とする熱駆動マイクロアクチュエータは，主にSi-MEMS微細加工技術を用いて作製されてきた．しかし現在，熱駆動マイクロアクチュエータ研究における重要な課題として，表面・バルク微細加工を主とするSi-MEMS微細加工上の特性によって，アクチュエータの設計形状自由度が2次元に制限されている．2次元平面構造となるSi-MEMS熱駆動マイクロアクチュエータは基本的に垂直方向変位を主とした単一自由度であり，駆動自由度・冗長性に欠けている．熱駆動マイクロアクチュエータをマイクロロボティクスへ応用するためには，アクチュエータの設計形状自由度を従来の2次元から3次元へと拡張させる必要がある．そこで本研究は，熱駆動マイクロアクチュエータの設計形状自由度を3次元へと拡張させるアディティブ・サブトラクティブ光造形微細加工方法を提案する．当該年度は，アディティブ・サブトラクティブ光造形微細加工装置を構築し，提案方法の妥当性を検証した．多自由度熱駆動ソフトマイクロアクチュエータの光造形に成功しており，それらを駆動部に用いたコンプライアントメカニズムを備えたマイクロロボットを作製した．本研究は熱駆動マイクロアクチュエータの基盤微細加工技術を開発するものであり，本手法によって熱駆動マイクロアクチュエータのソフトマイクロロボティクスへの応用展開が可能であることが示された． 当該年度は，計画通りに提案するアディティブ・サブトラクティブ光造形微細加工装置を構築し，多自由度熱駆動ソフトマイクロアクチュエータを作製した．作製にあたっては，光硬化樹脂の熱膨張率が光重合度 (ポリマー架橋構造の割合) に依存することに着目し，フェムト秒レーザ強度を印刷中に変化させることで熱物性値である熱膨張率を制御した．マイクロメカニズム構造の熱膨張率とヤング率をテイラーメイドに制御できるように，レーザ強度とそれらの物性値の関係を定量的に示した標準レシピを構築した．アクチュエータ評価にあたっては，変位量・時間応答性・ヒステリシス・長期安定性といった駆動性能を検証した．そして，それらアクチュエータを駆動部に用いた水中駆動マイクロロボットを設計・作製した．さらには当初の計画では想定していなかった現象によって，提案するアディティブ・サブトラクティブ光造形微細加工方法は様々な特徴を有する熱バイモルフ構造を作製可能であることを示せており，当初の計画以上に進展している． 当初の計画通りにコンプライアントメカニズムを備えた多自由度熱駆動ソフトマイクロアクチュエータを開発し，マイクロロボットに応用する．また，提案するアディティブ・サブトラクティブ光造形微細加工方法は様々な特徴を有する熱バイモルフ構造を作製可能であることが明らかになっているため，それら熱バイモルフ構造の幾何形状や物性等を評価する．また，構築したアディティブ・サブトラクティブ光造形微細加工装置の光学系を再設計することで，さらに高度な3次元光造形微細加工ができるように改良する．そして，アプリケーションに応じた熱バイモルフ構造を作製し，多機能ソフトマイクロロボットを開発する．

本研究はMEMS技術を活用したストレッチャブル熱輸送デバイスを世界で初めて実現し，ウェアラブル電子機器の高密度化，高出力化にブレイクスルーをもたらすことを最終目的とする．具体的には，まずソフトマター上のナノ・マイクロスケール狭隘空間に創成した階層マイクロピラー，およびナノブレード界面での気液相変化素過程を独自の可視計測手法により観察し，伸縮による空間変形や振動に伴う二相流動特性の変化を系統的に明らかにする．次に，階層マイクロピラーで発現する毛細管力と，ナノブレード界面で生じる滴状凝縮を活用したストレッチャブルな熱輸送デバイスの実現性を検証する．

自然材料を凌駕する巨大な正負の熱膨張率を持つソフトメタマテリアルをマイクロサイズで作製できれば、それらを構成材料とすることでソフト熱駆動マイクロアクチュエータの設計自由度は飛躍的に向上する。そこで本研究では、マイクロ光造形とフェムト秒レーザ改質を用いた熱膨張メタマテリアル作製手法を提案し、巨大な正負の熱膨張率を有するマイクロサイズ熱膨張ソフトメタマテリアルの開発と、熱駆動マイクロアクチュエータへの応用実証を目的とする。

本研究の目的は、熱物性工学に基づき、異種材料によって構成されるピコリットルオーダの極微量液滴内において、フェムト秒レーザを用いた二光子吸収重合により超高精細マルチマテリアル3D光造形を達成し、例えば断熱壁と高熱輸送層が狭い空間に複雑に入り組むような全く新しいコンセプトに立脚したマイクロ熱制御デバイスを世界に先駆け実現することである。本研究により、これまで不可能であった傾斜機能材料などの複雑なマイクロ3D光造形が可能となり、革新的マイクロ熱制御デバイスの実現による新産業創出を加速する。

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要素であるMEMS アクチュエータの設計・作製に取り組んだ．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 (2 mm) ・内視鏡先端部に搭載可能な小型 (4.5 mm 角) ・生体内測定に安全な低電圧駆動 (≦5 V) 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．それらの仕様に対して，熱膨張率が異なる2 層ナノ薄膜を通電加熱した際の熱膨張率差による熱駆動原理に着目し，ユニークな曲線構造を有する熱駆動式MEMS アクチュエータを提案するに至った．設計においては，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 アクチュエータの設計に成功した．また，アクチュエータのMEMS ファブリケーションプロセスを考案し，クリーンルーム施設において熱駆動MEMS アクチュエータの作製を行った．プロセスの問題点の洗い出しと改善を行うことで，作製に不可欠なフォトリソグラフィーパラメータ，ウェット・ドライエッチングパラメータ，ダイシングパラメータ，スパッタ成膜パラメータ，PECVD 成膜パラメータを明らかにした．その結果、ファブリケーションパラメータを明らかにするばかりでなく、歩留まりを向上させるための新たなプロセス構築も達成した．

本課題では、金属絶縁体相変化二酸化バナジウム薄膜をベースとした低温駆動型相変化マイクロアクチュエータの開発を目的としている。二酸化バナジウム薄膜は相転移温度前後で巨大物性変化を示すことから工学的に注目されているが、微小熱エネルギーで駆動可能な二酸化バナジウムマイクロアクチュエータは開発されていない。本研究では、相変化特性を巧みに利用した低温駆動型相変化マイクロアクチュエータの設計・作製・評価の一連に取り組み、アクチュエータ材料としての二酸化バナジウム薄膜のポテンシャルを明らかにする。 本年度は、応力が熱物性値である相転移温度と相転移モードの重要なパラメータになっていることを着目し、二酸化バナジウム薄膜相変化マイクロアクチュエータの基本設計を行った。設計にあたっては、熱膨張率・熱伝導率・ヤング率といった薄膜の熱機械物性を考慮して、二酸化バナジウム薄膜と組み合わせる金属ナノ薄膜材料を探索した。そして、熱機械連成有限要素解析を用いて、アクチュエータの幾何形状を決定した。また、微細加工技術を用いたアクチュエータ作製にも取り組み、スパッタ法による二酸化バナジウム薄膜の合成を試みた。スパッタ成膜におけるプロセス圧力と基板温度などのパラメータを変化させ、XRD・基板曲率法などを用いて多角的に膜質を評価した。さらには、本課題から派生的に発展した熱駆動マイクロアクチュエータの開発にも取り組み、当初の計画以上に研究が進展した。

膨大な熱エネルギーを消費してきた社会がカーボンニュートラル社会へとシフトするためには、高効率に熱エネルギーを機械エネルギー変換するハードウェアが不可欠です。本研究では、相変化ナノ薄膜と熱膨張ナノ薄膜を融合させた低消費電力で超長ストロークな熱駆動MEMSアクチュエーターを開発し、熱エネルギーを超高効率に機械エネルギーに変換する強靭化マイクロマシンの設計・製造基盤技術の創出に挑戦します。

本研究では、3DIC内の各層で発生する局所的な発熱(ホットスポット)をピンポイントで効率的に放熱するため、高い実効熱伝導率を有し、無電力で動作する新型の超熱伝導デバイス(μループヒートパイプ、μLHP)による抜熱手法を提案する。これを実現するため、μLHPの設計、製造、評価技術および半導体内での実装技術を確立し、熱的制約が課題であった3DICの高密度実装に対するブレイクスルーを目指す。