慶應理工のマイクロ・ナノ工学 小さな機械で世界を変えるものづくりの新しい可能性

MEMSで新デバイスを創造する

寝たきりの人が「お茶が飲みたい」と思った時、ポットと湯飲みに目をやることでその意図を人に伝えることができる。老人や子どもがどこを見ているかがわかれば、より安全な都市設計に役立つ。ディスプレイに写る商品の感触がわかれば、インターネットショッピングの可能性が大きく広がる。
今、この視覚や触覚などの感覚的な情報を数値化し、コミュニケーション手段に役立てようという試みがなされている。そのキーデバイスの製作を担うのが MEMS だ。そんなデバイスを実際に作っている慶應義塾大学理工学部機械工学科の三木専任講師に話を聞いた。

1987 年、米国 AT&T（アメリカ電話電信会社）ベル研究所が直径 0.2mm に満たないシリコン製のマイクロ歯車を発表してから約 20 年、その間に MEMS（Microelectromechanical Systems：微小電気機械システム）は着実に進化し、今や産業界に欠かせない技術へと成長している。身近なところではポータブルゲーム機が好例だろう。ゲーム機を傾けると、画面の中に描かれたボールがふいに、ころころっと転がりだす。ゲーム機を水平に戻すと、ボールはすーっと止まる。この感覚的な動きをよりリアルにしているのが MEMS 技術である。他にも自動車用エアバッグの動作制御といった人命に関わる分野で活用されるなど、広範な分野で使われている。
「MEMS の技術は、衝撃検知センサ、加速度センサ、流量センサといった計測分野の技術革新に大きく貢献しており、その技術は自動車から携帯電話まで幅広く使われています。コントローラーを野球のバットやテニスラケットのように振り回して遊ぶゲームがありますが、あの中にも MEMS 技術が使われています」と三木則尚専任講師が語る。
MEMS とはマイクロメートルを単位とする微細な世界の “もの作り” に欠かせない技術で、三木研究室ではこの技術を活用し、今までにない新しい機能を備えたデバイスを開発している。

三木研究室が取り組む研究内容は情報・通信分野から、医療・福祉領域と幅広い。この幅広さは、MEMS の活用領域の広さを表しているが、その取り組みの 1 つが人間の視線をキーボードやタッチパネルに代わるインタフェースデバイスにする試みだ。
「人間の視線検出については、これまでも多くの研究がありましたが、視線を捉えるために両眼の前に小型カメラを置くなど、被験者にプレッシャーを与えるような大がかりな実験装置が必要だったのです。そこで被験者の負担を減らし、自然な状態で実験できるシステムを作ろうと考えたのです」。
視線検出を考えていた当初、具体的なアプリケーションとして、アニメ「ドラゴンボール」に登場するスカウターをイメージしていたという。スカウターとは19 世紀の欧州で流行した片眼鏡に似た道具で、レンズ越しに対象を注視するとスカウターが視線の先にあるモノを認識し、その戦闘能力やそこまでの距離、方角といった情報を数値化してレンズ上に表示する優れものである。
「人間の視線を正確に把握する技術があれば、スカウターに近い装置も夢じゃありません。将来的にも面白い技術になると考え、視線検出デバイスを MEMSで作ろうとしたのです。例えば、対象を視線でポイントし、注視でクリック、ダブルクリックは瞬まばたき 2 回。情報の取得を見るだけで完結できるのです」と、楽しそうに語る三木さんだが、「素人の発想で始め、玄人の技術で実現する」と気持ちは真剣だ。
そして三木研究室は、メガネ型の視線検出システムの開発に着手する。瞳の位置を把握するため、メガネの左右のレンズ上に透明で微細な光センサを一定間隔で並べ、センサからの情報をもとに視線を検出する方法を考えついた。
既存の技術では難しい微細なセンサをガラス上に並べるという作業も MEMSでクリアし、メガネ型で装着も簡単な視線検出システムを実現したのである。それは新たなコミュニケーションツールやヒューマンインタフェースデバイスとして期待されている。

MEMS の技術は、視線検知システムのように人間の感覚を数値化するだけにとどまらない。人間の皮膚に刺激を直接入力できる装置の開発にも使われている。その 1 つが触覚ディスプレイである。
「人間の視聴覚を刺激する映像や音声は非常に高いレベルで実現できていますが、触覚については長い間黎明期のままでした。というのも物理的な刺激を皮膚に直接与える必要があったからです。しかも刺激を感じるには数十ミクロンから100 ミクロン程度の変化が必要なのですが、MEMS は数ミクロン単位で動かすことは得意でも、数十ミクロン単位での動作は苦手という課題に直面していたのです」。
この課題を解決するために、油圧システムの原理を応用したアクチュエータを開発。数ミクロンの運動量を 100 ミクロンに増幅するシステムの開発に成功する。これにより実験室レベルではあるが、点字ディスプレイとしては実用性の高い装置を開発できたのである。
「最近の研究では、皮膚に刺激を与える場合、細かく上下に振動させると、単純に押し当てる時よりも少ないエネルギで刺激を知覚できることが分かっています。今は前後左右を含めた空間的な振動を加えたら、さらに少ないエネルギですむのではないかと考え、その研究に取り組んでいるところです。細かく動かすことは MEMS の得意分野ですから…」。
こうした成果を踏まえ、今後はいろいろな種類の刺激を与え、それをどのような触覚として人間が認識するのかを明らかにしていく予定である。

視覚情報の数値化や外界からの情報を触覚として伝える技術など、ヒューマンインタフェースの方法や形はさまざまだが、究極的には BMI（Brain MachineInterface）に行き着くのではと三木さんは考えている。「生命情報学科の牛場先生がやられている BMI は私も関心を持っており、MEMS で脳波を検出するための電極用の針を共同研究で作りました（詳しくは「新版窮理図解」no.01 を参照）。電気情報を阻害する皮膚表面の角質層は突き破り、でも痛点には届かないという長さ 200 ミクロンの小さな針です。ポイントは、ちゃんと皮膚に刺さるけれど、人が動いても折れたり外れたりしない “程よい” 堅さ。微細な世界での “程よいバランス” の追求は体系的に研究されておらず、メカニクス的な観点からも面白いテーマです。機械工学科の材料力学の研究室とも共同研究をしています」。
MEMS はその微細さゆえに、スケール効果による特性の変化など、通常の “もの作り” のルールが通用しない難しさもある。この難しさを解決していく過程にこそ、三木さんが語る面白さがあるのだろう。小さく見えるが広がりの大きいMEMS に期待が高まる。

今の方がよっぽど苦労しています（笑）。僕は器用貧乏で、ズバ抜けてできるものはないけれど、なんでもそこそこできてしまう。そうしたわけで進路もなんとなく決めた感じでした。大学1～2年の頃は、生物や素粒子物理学に興味をもちましたが、ちょうど学部に進むころ、「バーチャルリアリティ」という新しい研究分野が脚光を浴びていて、面白そうだなと思って機械情報工学科への進学を決めたのです。その後はロボットに興味をもつようになり、4年生のゼミ配属では、ロボット研究の第一人者である三浦宏文先生・下山勲先生の研究室に入りました。
当時はまだホンダのASIMOが発表される前で、2足歩行ロボットや人工知能の研究が行き詰まるなか、突破口を見つけようと、この研究室ではマイクロロボットの研究を手がけはじめたところでした。二足歩行ロボットの手本が人間なら、マイクロロボットの手本は昆虫だろうと、MEMSを使った昆虫型ロボットの研究を手がけることになったのです。
小さいものを研究する面白さは、サイズによってきいてくる力が変わってくる点です。たとえば、モノの大きさが10分の1になると、表面積は100分の1になりますが、一方で、体積は1000分の1になる。つまり重力の影響がぐんと小さくなる。だからノミは自分の身長の50倍くらい高く飛ぶことが可能なんですね。そうしたことから、スケールにあったデザインが見えてくる。たとえば、飛行機の羽根と昆虫の羽根の違いというのは、スケールの違いからくるものといえます。ちなみに卒論は、生きた昆虫自身が操縦するロボットでした。ボールの上を昆虫が歩くと、ロボットがその動きに追随して動くというものです。

ええ。プログラムを書くのは苦手でスイス人の留学生に手伝ってもらいましたが、昆虫の勉強やモノづくりは楽しかったですね。そうやって興味の赴くままにやってきたのですが、その頃になってようやく将来について考えるようになりました。実家の家業を継ぐことや、メーカーへの就職も選択肢の１つでしたが、修士のとき、先生方のお供で海外の学会に参加する機会があり、先生が海外の研究者と握手をして気さくに話をしている様子を見て、「かっこいいなぁ」と思い、博士課程に進もうと（笑）。実際に、ドクターの生活はとても充実していました。
当時、異業種交流会などに参加する機会が多かったのですが、さまざまな職種の人と話をするうち、それまでは長いものには巻かれよ、といった人生でしたが、人と違う道を進むのも悪くないなと思うようになりました。ほとんどの同期が就職する中、博士課程に進学したわけですが、それもよかったな、と。研究にも力が入るようになり、午前中から明け方まで研究して、カラスが鳴き出すころ、だいたい３時すぎですが、ようやく研究室を出るという毎日でした。でも、辛いということはまるでなくて、研究室までの行き帰りに、千駄木周辺の路地を散策したり、コンビニで発売されたばかりの漫画を誰よりも早く立ち読みしたり、日々楽しんでいましたね。このとき手がけていたのは、外部から磁界を与えて空を飛ぶ、1cm以下のマイクロヘリコプタです。飛ぶということを考えると、実は昆虫をまねて羽ばたくよりも、回転させたほうが効率がいいのです。世界で一番小さいヘリコプタじゃないでしょうか。
また、この頃から、国内外で開催される国際学会に参加するようになり、若い研究者たちと親交を深めることができました。今でも彼らとの交流が続いており、情報交換できるいい仲間です。ついこの間も香港で開かれた国際学会で会ってきました。