バトルチップ：米軍が開発する次世代マイクロマシン

Image: Micro Cryogenic Cooler/Darpa／サイトトップの写真はWikipedia Commonsより

米国防総省の主要な研究部門である国防高等研究計画庁(DARPA)は、低温冷却器、真空ポンプ、レーダー、赤外線ビデオカメラなどあらゆる機器をチップ程度の大きさまで小型化する研究に取り組んでいる。うまくいけば、米軍向けにはまったく新しい種類の兵器やレーダー、そしてわれわれ一般人には新しいガジェットが手に入る可能性がある。

私は3月5日(米国時間)付けの『Guardian』紙で、あらゆる機器をマイクロチップほどのサイズに小型化するDARPAの驚くべきプログラムの一部について紹介した。このプログラムの最終目標は、「低電力で体積が小さく軽量なマイクロセンサーやマイクロロボット、マイクロ・コミュニケーション・システム」など、新世代の「マッチ箱サイズの高度に統合された機器およびマイクロシステムのアーキテクチャー」の開発だ。

チップ上で化学分析

研究者たちの世界では数年前から、「ラボ・オン・チップ」(LOC)センサーが関心を集めている。これらの小型機器は[毛細管が組み込まれた1枚のチップ上で化学分析ができるもので、例えば血液から]バクテリアやウィルスなど調査対象を検出・確認することなどに使用される。その名の通り、ミクロレベルで作られるので、サンプルが少量で済み、(距離と熱容量が小さいので)非常に速く結果を出せる。

この狭い研究分野における多くの進歩に、DARPAは影響を及ぼしている。それどころか、DARPAの5つの部門のうち1部門は、こうしたマイクロ技術の専門部門だ。

冷却

熱画像センサーや超伝導性部品など、ある種の電子部品にとって問題になるのが冷却だ。こうした冷却には通常、液体の供給と多くの電力が必要だが、DARPAの『低電力Micro Cryogenic Cooler(MCC)』はこうした問題を解決すると見られる。

これは、超小型機械の機器全体ではなく、特定の部品を冷却するという発想で、「微小機械熱分離構造(PDF)」を利用している――電流が流れると、熱電効果によって冷却する仕組みだ。0.1ワットの電力を流すだけで、4立方センチメートルの物体をマイナス200度まで冷却できると想定されている[図の説明では、「1mWで1立方センチメートルを冷却」とある]。

[熱電効果は、電気伝導体や半導体などの金属中において、熱流の熱エネルギーと電流の電気エネルギーが相互に及ぼし合う効果の総称。そのひとつペルティエ効果は、異なる金属を接合し電圧をかけると、接合点で熱の吸収・放出が起こる効果]

超小型カメラ

『Microsensors for Imaging』(MISI)は、短波長の赤外線スペクトルで作動する超小型カメラの開発を行なうプログラムだ。

特に、重さ200グラムの頭部装着型システムのほかに、超小型飛行機(MAV)用の重さ10グラムのカメラの開発に重点的に取り組んでいる。MAV用は、「標的認識範囲」が100メートル以上、視野が40度で、「光学的品質が高い」。シリコン上にあり、小型なので、既存のカメラと比べて非常に頑強で信頼性が高い。

すべてがチップ上に搭載されているこうしたカメラが市販され、低コストで大量生産されれば、侵入者を検知するセンサー、新しい地上ロボット用の汎用プラグイン式ビデオカメラ、爆弾やミサイルの誘導システムなど、あらゆる用途が実現可能になる。多くの企業が関心を抱く可能性があり、数年後には外国製のコピー製品も出現していくのではないかと思う。