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ナノストリングが振動ベースのセンサーの新たなフロンティアを切り開き、広範な採用へ
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最先端のマイクロチップと高度なセンサーは、超高速通信の時代において指数関数的な飛躍をもたらすツールです。新たな研究は、これまでに知られている固体の中で最も長く振動する新種のナノストリングの実現への道を切り開き、画期的な成果となり得ます。これにより、超高感度センサーを標準的なマイクロチップ技術と統合でき、振動ベースのセンシングに新たなパラダイムをもたらす可能性があります。
世界で最も感度の高いセンサー: ナノテクノロジーと機械学習の限界に挑む
TU Delft と Brown University の研究チームは、文字通り弦のような共振体を開発し、これまでに知られているどの固体よりも常温で長時間振動できることを実証しました。常温で得られた結果は、従来は絶対零度近くの温度でしか達成できなかったものです。
科学的に言えば、研究者らは長さが数センチメートルに達しながらナノメートル単位の厚さを保つナノ機械共振体を提示しました。この特性により、常温環境下で最も高い機械的品質を持つナノストリングが実現します。この場合、クランプ対象はマイクロチップです。
研究者は繊細なナノファブリケーション技術を駆使し、高い歩留まりを実現しました。
機能的観点から説明すると、振動体からエネルギーがどれだけ放出されるかに関して、これらのストリングは振動を特異的に捕捉し、エネルギーが漏れ出さないようにします。
機械学習はナノファブリケーションと設計最適化のシナジーを導きました。機械的品質が大幅に向上し、周波数は 10 億キロヘルツに近づきました。このような機械的周波数は、最先端の低温共振体や浮上ナノスフェアの性能と比較できます。
Associate Professor Richard Norte, while explaining the significance of the research, had the following to say:
「揺り篭が一度押すと、ほぼエネルギーを失わずに約100年も揺れ続けると想像してください。我々のナノストリングは同様のことを行いますが、揺り篭が1秒に1回振れるのではなく、我々のストリングは1秒間に100,000回振動します。エネルギーが漏れにくいため、環境ノイズが入りにくく、常温環境で最高のセンサーの一つとなります。」
このソリューションの製造プロセスの開発は、ナノテクノロジー分野における根本的な転換を示しています。その理由について、研究リーダーの Andrea Cupertino 博士は、ストリングはスケールアップすると長さ3センチメートル、厚さ70ナノメートルですが、実質的には「半キロメートルにわたってほとんどたわみのないガラス製ギター弦を製造する」ことに相当すると述べました。
これらの特性により、これまでのナノテクノロジーの認識では実現が非常に困難だった極端な日常応用に適しています。
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ソリューションの応用可能性
このイノベーションは、常温での巨視的量子現象の研究分野に新たなフロンティアを切り開きます。これまで、研究はノイズに覆われていました。しかし、ナノストリングはそのノイズを分離でき、数十億個の原子で構成されたストリングにおいて量子力学の法則を認識可能にします。この現象は以前は単一原子に限られていました。単一原子から原子の列へとシフトすることで、日常環境での量子ベースのセンシングに大きな可能性が生まれます。
ナノストリングは、圧力、温度、加速度、磁場などの物理量を測定する小型デバイス、いわゆる MEMS センシングに特に有用な構造の構築も可能にします。
科学者は、この研究がこれまでの応用科学の枠を超え、超高感度センサーが標準的なマイクロチップ技術と統合できる方法を示し、研究者が探求できる振動ベースのセンシングに新たな可能性をもたらすことを期待しています。
研究の範囲が拡大すれば、慣性航法用の加速度計測や次世代マイクロフォン用の振動ドラムヘッドなど、重要なパラメータを多数測定できるより複雑な設計の開発につながる可能性があります。
長らく研究者は、振動センサーを非侵襲的なモニタリング技術としての可能性評価に関心を持ってきました。利用可能な研究のレビューでは、振動ベースのセンシング技術が人間、インフラ、安全、健康モニタリングなど幅広い分野で有用であることが示されています。
以下のセクションでは、ナノストリング振動に関する研究から恩恵を受ける可能性のあるこれらの応用領域を検討します。
振動ベースのセンシング技術がソリューション開発に役立つ方法
振動ベースのセンシング技術は、診断やヘルスケアに非常に有用です。その理由は単純です。自然な生理活動により体内を伝わる機械的波は、体の向き、呼吸、脈拍、歩行、移動など多くの身体イベントに関する情報を含む顕著な信号です。これらの機械的振動信号を捕捉するには、洗練された振動ベースのセンシング技術が必要です。
これらのセンシング技術は、日常生活活動（ADL）などの人間行動も監視します。加速度計、ジャイロスコープ、磁力計といった慣性センサーや、心電図デバイス、皮膚温度センサー、力/圧力センサーなどの身体健康センサーがあります。
振動ベースのセンシングは、これらすべてのセンサーにおいて正確な推定を実現する上で重要な役割を果たします。また、占有情報推論サービスと呼ばれる有用なソリューションも提供します。これらのサービスは、資産追跡、場所内人数推定、物流、セキュリティなどのシナリオを含みます。
これらのソリューションは、対象者がいる閉鎖空間内での位置を把握するのに役立ちます。また、人間の識別にも貢献し、正規ユーザーと侵入者の判別や転倒検知が可能です。
振動ベースのセンシングの別の領域は、インフラの健康状態の監視であり、特に建物の地震による損傷や地震による被害の検出です。近年、これらのソリューションは嵐、ハリケーン、爆発などのケースでも、科学的に裏付けられたインフラ健康評価手段として役立っています。
すでに多くのテクノロジー企業が振動ベースのセンシングの利点を活かした人気ソリューションを開発しています。本稿で議論した研究は、彼らの更なる進展に寄与するでしょう。その中でも世界的に認知されたソリューションプロバイダーの一つが Rockwell Automation (ROK ) です。
#1. Rockwell Automation
Rockwell Automation のコンディションモニタリングセンサーは、極端な温度環境や危険な場所での多くの用途において、振動と位置の測定を実施するのに役立ちます。
例えば、Rockwell の Bulletin 1442 エディカレントプローブシステムは、産業機械の軸振動、位相/速度基準、ロータ/スラスト位置の測定に役立ちます。シリーズの次の製品である Bulletin 1443 シリーズ加速度センサーも産業機械の振動を測定できます。これは、0.2 Hz（12 CPM）から最大 26 kHz（1560 kpm）までの広い周波数帯域を持つ高度な加速度計です。
Rockwell Automation には、予知保全を支援し、測定・処理・表示・様々な分析機能の保存が可能なポータブルデータコレクターで主要な機械振動診断を提供するソリューションもあります。低周波での動作は 0.2 Hz（12 kpm）まで可能で、高側では最大 30 kHz（1800 kpm）に達します。また、260℃（500°F）までの非常に高温でも動作可能です。
Rockwell のループ電源式 4-20 mA 出力振動センサーは、さまざまな回転機械が生成する全体的な振動レベルを表す信号を測定します。その本質的に安全な加速度計は、危険環境の要求に応える特別な機能を備えています。
2023 会計年度において、Rockwell Automation は 90.58 億米ドル超の収益を記録し、2022 年の 77.6 億米ドルから大幅に増加しました。
#2. Omron
振動ベースのセンシング技術で卓越した成果を上げているもう一つのグローバル企業は Omron です。同社は世界最小クラスの高精度地震センサーを開発しました。この IoT フレンドリーな振動センサーは D7S というブランド名で提供されています。
D7S は地震による二次災害の軽減に寄与する地震センサーです。その超小型サイズにより、あらゆるデバイスに搭載可能です。スペクトル強度の高精度な地震指標であるため、インパルス振動ノイズを除去し、構造物の被害と高い相関を示します。IoT フレンドリーであることにより、地震マップや救助マップの作成が可能です。
用途としては、半導体、化学プラント、配電盤における二次的損傷の防止に役立ちます。ユーザーはこれらのセンサーを家庭の配電盤、火災防止システム、家電製品に導入できます。一方、社会全体としては、電力メーター、幹線道路、橋梁、鉄道などに設置することで恩恵を受けられます。
他にも D7S を他社製品と差別化する特徴が多数あります。例えば、3 軸加速度センサーと独自の SI 値計算アルゴリズムにより、表面実装可能なコンパクトモジュールと低消費電力を実現しています。比較的高い自由度により、デバイスへの組み込みやバッテリー駆動の長時間運用が容易です。最も重要なのは、シャットオフ出力端子（INT1）が従来の機械式振動センサーと同等に動作し、機械式振動センサーとの互換性を確保している点です。
2023 会計年度に、Omron は 8900 億円の年間収益を上げ、前年度の 8761 億円から 2% 未満の増加にとどまりました。
振動ベースのセンシングの未来
世界中の研究者が振動ベースのセンシング技術とセンサーに関する興味深い研究プロジェクトを多数実施しています。2021 年、研究チームは VibroTag と呼ばれるソリューションを提案し、異なるハードウェアを持つスマートフォンでも堅牢かつ実用的な振動ベースのセンシング方式として機能できることを示しました。
この手法は、環境ノイズやハードウェアの不規則性の影響を回避し、さまざまな表面の微細な振動シグネチャを抽出できます。研究者は 2 台の Android スマートフォンで VibroTag を実装し、複数の環境で数日間にわたり 4 名の被験者からデータを収集しました。VibroTag は平均精度 86.55% を達成し、24 種類の異なる場所／表面を認識できました。たとえそれらの表面が類似した素材で構成されていてもです。
ボローニャ大学のスマートマテリアル・構造健全性モニタリング（SMASH）部門の別の研究グループは、革新的で低コスト、軽量なセンサーノード（SN）を提案し、長期かつリアルタイムの音響放射（AE）と振動（ACC）モニタリングのための迅速に展開可能なセンサーネットワークを実現しました。構成は外部ノイズへの感度を大幅に低減できるよう設計され、センサー近接モニタリング手法により、NDT および SHM 用に処理・保存すべき生データ量が劇的に削減されました。
別の研究として、カンチレバー梁構造のトリボエレクトリックナノジェネレータをベースにした低周波振動センサー（LV‑TENG）が開発されました。このセンサーは高精度な振動センシングを実現しつつ、振動エネルギーを効果的に収集できます。
LV‑TENG の効率に関する実験は非常に好結果でした。0.1 Hz から 5.0 Hz の周波数、振幅 2.0 mm から 10.0 mm の範囲で構造振動を正確に検知でき、出力電圧は周波数と正の線形関係を示し、相関係数は 0.994 に達しました。研究者は、LV‑TENG が低周波振動モニタリングの新たな道を提供し、海洋工学における構造健全性モニタリング分析に活用できると確信しています。
インフラの健康状態、人間の健康状態、行動パターンの間接的・直接的なモニタリングは、人類の生活に大きな恩恵をもたらします。これにより損傷が減少し、人と機械の生活が向上します。振動ベースのセンシングは、このようなモニタリングを効果的に実施する手段です。ナノテクノロジーをこれらのセンシングツールやセンサーに組み込むことで、ソリューションはより使いやすくなり、携帯性が高く、ウェアラブルや非ウェアラブルデバイスの部品として適合します。
この技術は低コストで消費電力も少ないため、注目を集めています。その結果、屋内外のモニタリングニーズに適したソリューションとなっています。研究者の見解では、将来的に非侵襲的ソリューションへの研究がさらに活発化すると予想されています。
応用面では、スマートホームや環境分野の幅広い用途に対応できる可能性があります。しかし、これらのセンサーを従来のセンシング機構の代替とするためには、信号処理能力と機械学習技術の活用に関してさらなる研究が必要です。
