フィラメントの上で「踊る」昆虫ロボットを、SFから現実に「這い出す」ことを目指している

鄭州航空工業管理学院材料学院の曽芳光教授は、フィラメント上で電子を「踊らせる」マイクロビーム「電子銃」の力を借りて、学生たちを指導し、全国大学生コンテスト「チャレンジカップ」で一等賞を獲得した。現在、この技術とそれを支える設備は世界でも空白状態にあります。

彼は若い頃に物理学を学んだが、学生たちを率いて材料科学の新たな道を切り開いた。 60代に突入しようとしている曽芳光さんには、もう一つの願いがある。「チームを結成し、マイクロビーム電子銃を産業応用し、材料、デバイス、設備の全チェーンの革新をできるだけ早く実現したい。」

この銃の目的は何ですか？

曽芳光氏が言及した電子銃は「本物の銃」ではなく、電子を「弾丸」として使う電子発射銃である。フィラメントは銃の「銃身」です。電子はここから始まり、電場と磁場の制御下で「踊り」ます。それで、この銃は具体的にどこで使用されるのでしょうか?

「昆虫サイズのマイクロロボットをご存知ですか？ メソスコピックスケール（10^-4〜10^-6m）の多数の複雑な金属マイクロ部品で構成されています。『マイクロ部品』というと、とても小さくて製造が特に難しいように聞こえませんか？」曽芳光は微笑みながら尋ねた。

同氏によると、現在、我が国は走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡などのハイエンド真空電子機器のフィラメント材料とフィラメント装置を輸入に大きく依存しており、潜在的なボトルネックリスクが生じているという。

構造化されていない空間や限られた空間で検査、検出、災害後の捜索救助を行うことができるセンチメートルスケールまたは陸生昆虫スケールのロボットを作成するにはどうすればよいでしょうか?曽芳光氏は、精密金属微細構造やマイクロ部品、特にマクロスケールとマイクロスケールの中間にあるメソスケール（サブミクロン～サブミリメートル）の極小金属部品が前提条件の1つであると述べた。

曾芳光氏は長年の研究を通じて、既存の製造技術の中で、この問題を解決するのに最も有望な技術は、高エネルギー密度の電子マイクロビームを使用して金属の微細粉末をグラフィック溶融する電子マイクロビーム 3D 印刷技術であることを発見しました。マイクロ部品の構造スライスグラフィックデータに基づいて、金属マイクロ粉末を高エネルギー密度電子マイクロビームで層ごとにグラフィック溶融し、最終的に複雑な金属マイクロ部品の付加的なマイクロ製造を実現します。

「上記の考慮に基づき、繰り返し議論した後、私たちのチームの教師は学生を指導してフィラメント材料のブレークスルーを模索し、主要材料の革新を通じてコアコンポーネントの革新を促進しました。」曽芳光は嬉しそうに言った。こうしてマイクロビーム電子銃が誕生した。

受賞後、彼は生徒たちが目に涙を浮かべているのを見た。

第18回「チャレンジカップ」全国大学生課外学術技術作品コンテストにおいて、曽芳光氏と彼のチームは学生たちを指導し、「複雑な金属マイクロ部品の付加的マイクロ製造のためのマイクロビーム電子銃」という作品で一等賞を獲得しました。

大会中、曽芳光に深い印象を残した事が二つありました。

既存の電子銃フィラメントは主に六ホウ化ランタンやタングステンフィラメントを使用していますが、放射面が大きいため、小さな電子ビームスポットを実現することは不可能です。チームメンバーは、実験室で準備された準マクロ炭素繊維を使用すれば、この材料は準マクロスケールと完全な曲率半径を持つ半球状の発光面を持ち、まさに付加的なマイクロ製造の要件を満たすだろうと想像しました。

曾芳光氏は科学研究、特に電子材料とデバイスおよびその応用の分野に精通しています。彼は科学的研究プロセスの難しさや成果を達成するための大変な努力を十分に認識しており、長年の経験を学生たちと共有しています。

曽芳光の忍耐強い指導の下、参加チームは数回の実験を経て、最終的に物理的な空間閉じ込め効果と制御変数法を利用して、完璧な形態を持つ準マクロ炭素繊維を作製しました。

鄭州の夏休み中、気温は40℃に達し猛暑に見舞われていたが、チームメンバーは実験室で1000℃のフィラメント成長実験を行っていた。最終的に、準マクロ的な炭素繊維フィラメント材料の制御可能な製造を実現し、マイクロビーム電子銃の開発とテストを完了しました。

曽芳光氏は、マイクロビーム電子銃を作る際には、まずフィラメント材料をフィラメント装置に加工する必要があると述べた。髪の毛よりもはるかに細い材料を、外径わずか 0.3 mm の銅管に通し、フィラメント材料と確実に電気的に接続される程度に銅管を圧着する必要があります。

「これはまったく新しい装置なので、特別なツールは市販されておらず、顕微鏡や拡大鏡を使って手動で操作する必要があります。学生たちがどれほど恐怖を感じていたかは想像がつくでしょう。」曾芳光さんはこの経験を語るとき、心痛に襲われた。

曾芳光先生とチームの他の教師たちの励ましと実演により、生徒たちは小さな物体を操作する技術を習得しました。 「今では、ほとんどの学生がフィラメントデバイスの製作を独力で完成できる。これは、卓越性を追求する職人精神と、困難に立ち向かう粘り強い意志を大いに培った。これは、どれだけ授業を受けても達成できない進歩だ」と曽芳光さんは感慨深げに語った。

大学大会から全国大会へ、鄭航から決勝まで。コンテスト後、曽芳光さんは参加した学生たちを貴陽近郊の勉強場所に連れて行っていたところ、自分の作品が一等賞を受賞したという知らせを聞いた。 「生徒たちの叫び声を聞き、目に涙を浮かべて歓声を上げる姿を見て、彼らが静かに変化したのだと、その瞬間に分かりました。」

この「銃」を産業応用しよう

このプロジェクトの研究開発価値について、曽芳光氏は「マイクロビーム電子銃をベースに、電子ビーム付加的マイクロ製造システムを開発し、複雑な金属マイクロ部品の付加的マイクロ製造を実現することが期待される」と述べた。

曽芳光氏は、マイクロビーム電子銃の将来の発展についても明確なビジョンを持っています。同氏は「今後はマイクロビーム電子銃の応用研究の推進に注力し、マイクロビーム電子銃を研究室製品から産業用途へと転換し、製品の品質と性能を最適化・向上させていく」と述べた。

同時に、マイクロビーム電子銃をベースにした専用電子光学系や専用電源システムも開発し、金属部品のマイクロナノ加工装置に必要なコア部品の開発を早期に完了させ、材料からデバイス、そして装置への飛躍を早期に実現できるよう努めていきたいと考えています。

学生のトレーニングは引き続き最優先事項であり、曽芳光氏はより多くの学生を研究開発プラットフォームに組み入れたいと考えています。 「綿密な訓練を通じて、より多くの学生が材料科学の知識を習得するだけでなく、真空電子技術を応用する能力も備えた複合的な革新的人材となり、わが国の関連産業における先端材料とハイエンド機器の分野で稀有な専門的・技術的人材となるでしょう。」曽芳光は自信を持って言った。