23． マイクロ・ナノ工学
23.1 マイクロ・ナノ工学概観
23.2 三次元の微細形状創成技術
23.3 マイクロ・ナノマテリアル
23.4 マイクロ・ナノ熱流体
23.5 バイオ・医療MEMS
23.6 IoT
23.1 マイクロ・ナノ工学概観
2020年度は新型コロナウィルス感染症（COVID-19）に終始した一年であったと言っても過言ではない．一年前の今頃，「マスク義務化」「ソーシャルディスタンス」「在宅勤務」「オンライン会議」「時短営業」等という言葉の意味するものと必要性を正しく理解できていた人はほとんどいなかった．しかし，報道される事実を日々目の当たりにしてきた人々は，その猛威に恐怖を感じ，徐々に考え方を変え，次第にこれらを受け入れるようになった．現在では，COVID-19の世界的流行が人類のあらゆる側面に影響を及ぼすまでに至り，この一年，我々の生活はCOVID-19を軸に動いたと言わざるを得ない．
COVID-19は我々の働き方をも大きく変えた．例えば，大学の講義や会社の会議はオンライン化され，人と人が物理的に接触せずとも個々の仕事の目的が達成される仕組みへと変化した．それは学会も同様であり，人と人がインターネットを介してオンライン上で発表し，それを聴講して議論する方法が多く採用された．COVID-19をきっかけとしたこれらのオンライン化は，多くの副産物を失うことと引き換えに，人と人が集って行うことの目的と意義を明確化し，物事の本質を見極める機会を与えたようにも思える．極めて前向きに捉えると，我々に生活や仕事の在り方を見直すきっかけを与え，新たな常識の始まりを提供したのかもしれない．
このような状況において，2020年度，我が国は「自在配列と機能」「情報担体と新デバイス」「信頼されるAI」「革新的植物分子デザイン」「細胞内構成因子の動態と機能」の5つを研究戦略目標として掲げた．2021年度の研究戦略目標にこそ「バイオDX」「感染症」「ポストコロナ」の文言が見られるが，2020年度の戦略目標にはCOVID-19にダイレクトに関連する目標が見当たらなかった．それだけCOVID-19の出現が突発的であったことの表れと言えるだろう．2020年度の戦略目標を概観すると，原子・分子の能動制御技術や革新的デバイス創出，細胞内の観察・観測技術や分子操作技術等に係る新しい技術開発と研究着眼が求められた．つまり，マイクロ・ナノサイズの材料や技術，知識に関連する理工学研究全般が我が国の科学技術の潮流を支えており，今後，この流れはますます大きくなるであろう．マイクロ・ナノ工学を基幹とする研究開発の必要性と重要性，そして現代社会に対する貢献度は言うまでもなく大きい．
マイクロ・ナノ工学に係わる研究開発動向を，2020年度開催された関連学会の概要とともに紹介する．2020年1月にカナダ・バンクーバーで開催されたIEEE MEMS2020は，2020年唯一とも言えるマイクロ・ナノ工学系のon-site国際会議であった．投稿721件中，341件が採択（採択率47％）であり，そのうち，米国と中国からの投稿が80件ずつと最多で，次いで日本が70件，韓国が25程度であった．オンライン開催であったIEEE MEMS2021も中国からの投稿が多く，ここ数年の流れを引き継いでいる．発表内容としてはウェアラブル・フレキシブルデバイスや機械学習によるデータ解析に関する研究が増えている印象である．
IEEE MEMS2020以降，マイクロ・ナノ関連の国際会議はすべてオンライン開催であった．3月に開催された慣性センサ関係の国際会議INERTIAL2020では117件の投稿のうち79件が採択されたが，オンライン開催変更の影響を受けて最終的には64件に減少し，中国からの発表が約4割を占めていた．内容としてはMEMSジャイロセンサの発表が多く，シリコンに替わり石英を振動子に用いて500万にのぼるQ値を実現した発表もあった．4月に予定されていたIEEE NEMS2020はオンラインで9月開催となり，Plenary Talkを含めて188件の発表があった．バイオマイクロシステムに関する発表が約半数を占め，次いでフレキシブルデバイスやナノ材料に関する発表が多かった印象である．10月開催のμTAS2020ではすべてがポスター発表となった．652件の発表のうち，米国が最多，次いで，日本，カナダの順であった．10月開催のマイクロ・ナノ工学シンポジウムでは101件の発表があり，2019年から約4割減であった．Future Technologies from KUMAMOTO全体としては427件の発表があり，820名が参加した．ここでもフレキシブルデバイスやナノ材料，バイオ関連の発表が多い印象を得た．11月にはMNC2020がオンラインで開催され，すべての発表がオンデマンドオーラル発表となった．材料に関する発表が多く，中でも，ナノ加工技術やナノ構造体の物性計測に関連する発表が多く見られた．
以上，ここで紹介したそれぞれの会議において，関係者が協力しながらオンラインプラットフォームの特徴を活かしたプログラム編成やバーチャル交流を企画しており，現地開催でなくとも会議を楽しむことができる工夫がなされていた．投稿件数はいずれの学会も減少傾向であり，COVID-19の影響が大きく反映された結果と言える．一方，オンラインのバーチャル開催となったことで，発表申し込みや学会参加のハードルが低くなった場合もあるようで，例えばVISAの関係で学会発表を断念していた方々にとっては良い方に作用したとの声も聞かれた．また，学会参加費も安く設定されたところが多く，出張費もかからないメリットはあった．加えて，リアルタイムオンライン発表に加えてオンデマンド発表を企画した学会が多数あり，仕事をしながら各自の都合の良い時間に聴講できることは大いなるメリットであり，情報収集の機会は広まった印象である．
2020年はCOVID-19一色であり，それを忘れさせてくれるほどインパクトのある科学技術の新たな流れは生まれなかったかもしれない．しかし，各学会や論文を細かく見ていくと，「フレキシブル」「情報担体」「ナノ材料」「細胞」「動態観察・可視化」と言ったキーワードが多く目に留まった年でもあり，マイクロ・ナノ関連の材料・物性研究と技術開発の重要性を再認識できた．分野横断型の研究が求められてきた昨今において，困難な状況においても学会の垣根を超えた学術的，人的交流がオンラインという形を変えたスタイルで継続されたことは，我が国の科学技術に対する持続と発展の重要性を研究者個々が認識している表れである．COVID-19が及ぼす人々への生命・健康ならびに社会への経済的な影響は計り知れず，これからも拡大していく懸念がある．PCRや抗体検査を迅速に行うキットや，医療従事者の安全を守るための医療機器など，マイクロ・ナノ工学そして機械工学が貢献できるところは大きい．マイクロ・ナノ工学の基礎研究と応用がこれから更に重要な位置を占めることは明らかであり，今と将来の双方を見据えた適切な国家研究戦略の策定に期待したい．そして，困難な状況においても，研究者・技術者の不断の努力が人類そして社会の持続と発展に大いに貢献しており，その成果がわかりやすく報道される日が訪れることを強く期待する．
〔生津 資大 京都先端科学大学〕
23.2 三次元の微細形状創成技術
半導体デバイスや，MEMS/NEMS（Micro- and Nanoelectromechanical systems）などの研究開発において，デバイス構造を形づくり機能を発現させるために，半導体製造プロセス技術等をはじめとする様々な超微細加工技術が利用されている．この超微細加工技術の一つに集束イオンビーム技術（Focused-Ion-Beam: FIB）が挙げられる．集束イオンビーム技術は，これまでGaイオンビームが主に用いられ，デバイス評価やマスクリペア，材料研究，マイクロ・ナノマシンニング等の様々なアプリケーションへ活用されてきた研究開発，産業を支える技術である．ガス電界イオン源を利用した集束イオンビーム技術（Gas Field Ion Source-Focused Ion Beam: GFIS-FIB）やプラズマ集束イオンビーム技術（Plasma Focused Ion Beam: P-FIB）によりその応用は新たな展開をみせている．本年鑑では，特に，これらのGFIS-FIB, P-FIBについて焦点を絞り，2020年での研究開発への応用を紹介する．
GFIS-FIB技術は，従来の液体金属イオン源を用いたGa-FIB技術とは異なり，ガス電界イオン源から生成されるHeやNeなどのイオンビームを利用したヘリウムイオン顕微鏡（Helium Ion Microscope: HIM）をはじめとする顕微鏡技術，加工技術である．HIMの空間分解能はおよそ0.35 nm（1）であり，超高分解能な顕微鏡技術として活用されてとともに，sub-10 nm以下の極微細な加工を実現する加工技術として，エッチングやイオンビーム誘起堆積 （Focused-Ion-Beam Induced Deposition: FIBID等），リソグラフィーに用いられている．2020年では，材料加工（2） （3）はもとより，超伝導デバイス（4） （5）やフォノニックデバイス（6）などの極微細構造の機能性を利用する先端デバイス研究から生体試料の評価（7） （8）などまで幅広く活用されている．
P-FIB技術は，プラズマソースから生成されるXe等のイオンビームを用いた大電流高速加工を特徴とする技術である．従来のGa-FIBのみでは局所面積での加工に留まっていたが，P-FIB技術では数100 µmを超える寸法での大面積加工が可能である．材料解析やデバイス構造解析などの特に大面積加工や深堀エッチング加工が要求されるシチュエーションにおいて強力な加工ツールである．2020年は，トモグラフィーや透過電子顕微鏡用試料作製等を中心として，半導体TSV（Through-Silicon Via）構造（9）などのデバイス構造解析や材料構造（10）（11），生体組織（12）の評価に活用されるとともに，機械物性研究等（13）にも利用され，多様なアプリケーションへの応用が進められている．
このように集束イオンビーム技術はその適用性をますます広げており，これまで以上に様々な分野における研究開発を加速させ，牽引していく技術として期待される．
〔米谷 玲皇 東京大学〕
参考文献
(1) Economou N. P., Notte J. A., Notte, Thompson W. B., The history and development of the helium ion microscope, Scanning, Vol. 34 (2012), pp. 83–89.
(2) Deng Y., Wang G., Qiu Y., He D., Lin J., He J., Nano-patterning of a monolayer molybdenum disulfide with sub-nanometer helium ion beam: considering its shape, size and damage, Nanotechnology, Vol. 31 (2020), pp. 345302-1-6.
(3) Xia Deying, Zhu X., Khanom. Runt D., Neon and helium focused ion beam etching of resist patterns, Nanotechnology, Vol. 31 (2020), pp. 475301-1-11.
(4) Couëdo F., Amari P., Feuillet-Palma C., Ulysse C., Srivastava Y. K., Singh R., Bergeal Ni., Lesueur J., Dynamic properties of high-Tc superconducting nano-junctions made with a focused helium ion beam, Scientific Reports, Vol. 10 (2020), pp. 10256-1-9
(5) Li H., Cai H., Cho E. Y., McCoy S. J., Wang Y. T., LeFebvre J. C., Zhou Y. W., Cybart S. A., High-transition-temperature nanoscale superconducting quantum interference devices directly written with a focused helium ion beam, Applied Physics Letters, Vol. 116 (2020), pp. 070601-1-5
(6) Liu F., Wang Z., Nakanao S., Ogawa S., Morita Y., Schmidt M., Haque M., Muruganathan M., Mizuta H., Conductance Tunable Suspended Graphene Nanomesh by Helium Ion Beam Milling, Micromachines, Vol. 11 (2020), pp. 387-1-13.
(7) Bandar C. D., Ballerin G., Leppänen M., Tesfamichael T., Ostrikov K. K., Whitchurch C. B., Resolving Bio-Nano Interactions of E. coli bacteria-dragonfly wing interface with helium ion and 3D-structured illumination microscopy to understand bacterial death on nanotopography, ACS Biomaterials Science & Engineering, Vol. 6 (2020), pp. 3925−3932
(8) Lim H., Moon D., Microscopic and nanoscopic protein imaging by SIMS and helium ion microscopy, Biointerphases, Vol. 15, (2020), pp. 038501-1-3.
(9) Niedermeier F., Fros A., Böckl M., Kipferl W., Braun M., Birner A., Pearl H., Schubert T., Lee A., Three-dimensional feature characterization by inline Xe plasma FIB: delayering and deep milling implementation, Proceedings of SPIE, Vol. 11325, (2020), pp. 1132512-1-10.
(10) Zhang Y., Kong C., Davidsen R. S., Scardera G., Duan L., Khoo K. T., Payne D. N.R., Hoex B., Abbott M., Ultramicroscopy, Vol. 218 (2020), pp. 113084-1-9.
(11) Zhong X., Wade C. A., Withers P. J., Zhou X., Cai C., Haigh S. J., Burke M. G., Comparing Xe+pFIB and Ga+FIB for TEM sample preparation of Al alloys: Minimising FIB-induced artefacts, Journal of Microscopy, Vol. 282, (2020), pp. 101-112
(12) Binkley D. M., Deering J., Yuan H., Gourrier A., Grandfiel K., Ellipsoidal mesoscale mineralization pattern in human cortical bone revealed in 3D by plasma focused ion beam serial sectioning, Journal of Structural Biology, Vol. 212 (2020), pp. 107615-1-11
(13) Robertson S., Doak S., Sun F. L., Liu Z. Q., Liu C., Zhou Z., Focused ion beam preparation of microbeams for in situ mechanical analysis of electroplated nanotwinned copper with probe type indenters, Journal of Microscopy, Vol. 279 (2020), pp. 212–216.
23.3 マイクロ・ナノマテリアル
マイクロ・ナノマテリアルに関する研究・開発動向を把握するため，第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム（オンライン開催）における①マテリアル作製とプロセス技術，②マテリアルの特性評価，③マテリアルを活用したシステムの構築，に関する話題を取り上げる．
マテリアル作製とプロセス技術について，越智らはUVナノインプリント法によりヤモリの足の構造を模した形状を（1），山本らは熱インプリント法により樹脂製の中空針を作製している（2）．村山らは液体窒素を用いて瞬時にゲル化を行うマイクロゲルビーズの作製法について（3），丸山らはマルチマテリアル光造形装置により3Dプリント部品の色が制御できることを報告している（4）．Namらはフェムト秒レーザを用いて立体表面上にCu配線を描画している（5）．またSalmanらは電気めっきAl薄膜を用いた低温度ウエハレベル熱圧着接合について報告している（6）．
マテリアルの特性評価について，力学的特性に関し，大金らは高濃度のカーボンナノチューブを複合したポリイミド薄膜の機械的特性について報告している（7）．木野と生津はカーボンナノチューブ束のラマンスペクトルと引張試験の結果を比較している（8）．勝又らはチタン酸ジルコン酸鉛系薄膜の破壊靭性を調査している（9）．鈴木らはAl合金表面の孔に接着剤が入り込むことによるアンカー効果が接着強度に及ぼす影響について報告している（10）．また武田と岩瀬は複数の梁で構成された平面らせん構造の垂直変形特性を評価している（11）．電気的特性に関して，井上らはストレッチャブル印刷配線の引張変形時の電気抵抗率変化について報告している（12）．
マテリアルを活用したシステムの構築について，佐藤と岩瀬は平面デバイスの作製プロセス後に駆動層を付加する自己畳み込み手法について（13），中村らはセンサ部分と回路部分を含む伸縮可能なシステムを構築して運動時でも膝の温度が安定して測定できることを報告している（14），栗山らはメタマテリアル構造を用いたダイアフラム型振動発電デバイスについて（15），神崎と太田は液体金属コイルと磁性エラストマーからなる軟骨伝導デバイスについて報告している（16）．Zouらはカーボンナノチューブ上にパラジウムナノ粒子を堆積させた水素ガスセンサーについて（17），堀らは土壌の中の微生物や水分などで自然分解される材料のみで構成された土壌モニタリング用のpHセンサについて報告している（18）．
また新型コロナウイルス（COVID-19）感染症が全世界で猛威を振るう状況において，バイオセンシングに関する研究が注目を集めた．岩崎はRNA分子との密着性に優れたフィルタ材料の最適設計について報告している（19）．須賀と鈴木は細胞の固定効率を向上させるクローズド染色体伸張チップを作製している（20）．伊藤らは脂質二重膜を利用したナノポアセンサの検出迅速化について報告している（21）．
〔燈明 泰成 東北大学〕
参考文献
（1） 越智晟, 山本実夢, 寺嶋真伍, 鈴木昌人, 高橋智一, 青柳誠司, ヤモリを模倣した微細毛の凝集性ガス下でのUV ナノインプリントによる作製, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26P3-MN1-5.
（2） 山本実夢, 越智晟, 寺嶋真伍, 鈴木昌人, 高橋智一, 青柳誠司, 熱ナノインプリント法による生分解性樹脂製中空マイクロニードルの作製, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27A2-MN1-3.
（3） 村山知美, 土谷澪, 吉田光輝, 倉科佑太, 尾上弘晃, 液体窒素を用いた遠心駆動デバイスによるマイクロゲルビーズの作製, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27P3-MN3-8.
（4） 丸山大輝, 古川太一, 丸尾昭二, 樹脂パレットを用いたマルチマテリアル光造形法の開発, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26P3-MN3-8.
（5） Nam, H. P., 大石知司, 溝尻瑞枝, グリオキシル酸銅錯体のフェムト秒レーザ還元描画を用いた立体表面上へのCu配線, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27A2-MN1-2.
（6） Salman, A.F. M., 塚本貴城, 田中秀治, 電気めっきアルミニウム薄膜を用いたウエハレベル熱圧着接合, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27A2-MN1-4.
（7） 大金健太, 藤井達也, 鈴木庸久, 野村光由, 超高濃度カーボンナノチューブ複合ポリイミド薄膜の作製と機械的特性評価, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27P2-MN1-5.
（8） 木野智仁, 生津資大, ラマン分光法とSEM内引張試験によるCNTバンドルの強度評価, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 28P1-MN3-1.
（9） 勝又優, 吉田慎哉, 田中秀治, チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）系エピ・ポリ薄膜のスパッタ成膜と破壊靭性の調査, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27P2-MN1-4.
（10） 鈴木拓磨, 長藤圭介, 中島大希, 斉藤聡平, 髙橋奈々, 天堵晴斗, 中尾政之, アルミニウム・接着剤間の界面凹凸の側面に作用するアンカー効果の評価, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27P2-MN1-3.
（11） 武田湧希, 岩瀬英治, 複数の梁で構成された平面らせん構造における垂直変形の特性評価, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26P2-MN2-2.
（12） 井上雅博, 渡辺輝, 大堤海翔, ストレッチャブル導電性ペースト印刷配線の引張試験中の電気伝導特性変化に及ぼすフィラー形状の影響, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 28A3-MN1-3.
（13） 佐藤祐輔, 岩瀬英治, 駆動材料層の後付加による自己折り畳み手法の提案, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27P3-MN3-2.
（14） 中村史香, 松田涼佑, 磯田豊, 遠藤拓馬, 太田裕貴, 硬軟パターン電子基板による伸縮可能なシステムの作製, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26A3-MN2-6.
（15） 栗山頌明, 海野陽平, 塚本拓野, 市毛亮, 橋口原, 年吉洋, 鈴木孝明, 2Dメカニカルメタマテリアル構造を有するダイヤフラム型振動発電デバイスの作製と評価, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26P3-MN2-2.
（16） 神崎崇志, 太田裕貴, 液体金属と磁性微粒子を用いた伸縮可能な振動素子の開発, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 28P1-MN3-8.
（17） Zou, M., 井上修平, 松村幸彦, パラジウム・カーボンナノチューブ薄膜の水素センサーへの応用, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26P3-MN3-3.
（18） 堀克紀, 稲見文香, 尾上弘晃, 生分解性材料を用いた土壌モニタリングセンサ, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27P2-MN2-1.
（19） 岩崎富生, RNAウィルスとの密着性に優れたフィルター材料の最適設計技術, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26P2-MN1-1.
（20） 須賀海成, 鈴木孝明, 3次元リソグラフィを用いたクローズド染色体伸張解析チップの作製, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 26P2-MN1-3.
（21） 伊藤嘉玖, 大崎寿久, 三村久敏, 三木則尚, 竹内昌治, 確率論的バイオセンサの検出迅速化, 日本機械学会第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 27A2-MN2-5.
23.4 マイクロ・ナノ熱流体
マイクロ・ナノスケールの熱流体現象では，デバイスや材料のサイズがエネルギーキャリアの平均自由行程や波長に近づいて物性の寸法依存性が現れたり，界面での熱物質輸送抵抗が総抵抗に占める割合が大きくなったり，界面での滑り流れが顕在化するなど，マクロスケールとは異なる輸送特性が現れる．マイクロ・ナノスケールで生じる特有の性質やそれらを研究する過程で生まれた計測・解析技術を活用することで，環境・エネルギー機器をはじめ，バイオ機器，熱流体計測技術，半導体熱設計・マネジメントなどにおいて画期的な技術が生み出されることが期待されており，活発に研究が展開されている．
日本機械学会発行の論文誌で発表されたマイクロ・ナノ熱流体に関連する論文には，マイクロチャネル熱交換器内気相流れの圧力損失（1），酸化グラフェンナノシート懸濁液を用いた圧力損失低減・熱伝達率向上（2），誘電泳動を用いたマイクロ流路内での粒子整列法（3），ナノポア内での局所ジュール加熱による沸騰気泡核生成（4），グラフェンナノリボンのねじれの熱伝導性への影響（5），超音波照射によるマイクロカプセル群の崩壊率の計測（6）に関する研究があった．
国内の講演会では，本部門主催の第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウムが開催されて熱流体に関するセッションで6件の発表があったほか，WEB開催された年次大会，熱工学部門主催の熱工学コンファレンス，他学会の伝熱シンポジウム（講演論文のみ），熱物性シンポジウム，数値流体力学シンポジウムなどでマイクロ・ナノ熱流体に関連したOSが企画され多数の発表があった．国外では，マサチューセッツ工科大学の機械工学科が，二週に一度の頻度でInnoTherm（7）というウェブセミナーを開催しており，そこでは，マイクロ・ナノ熱流体の最新研究動向やエネルギー・環境技術応用への道筋が活発に議論されていた．
マイクロ・ナノ熱流体の分野は，半導体，材料，化学，バイオなどの異分野との親和性が高く，今後も，多様な分野との融合により相乗的に優れたシーズ技術を創出していくことが期待されている．エネルギー・環境技術では，IoTセンサー・デバイス向け小型発電デバイス開発への貢献が期待されている．工場や自動車排熱などの未利用熱エネルギーの活用の様なより大規模な熱物質輸送系でも，大面積化・高耐久化・低コスト化などのハードルを越えて産業応用される技術の研究・開発が進められている．熱流体分野でも微視的視点に立った研究開発が技術の進歩につながることを期待したい．
〔矢吹 智英 九州工業大学〕
参考文献
（1）村上信太郎, 豊田香, 浅古豊, マイクロチャンネル熱交換器流路系の気体流れの圧力損失予測に関する研究, 日本機械学会論文集, Vol. 86, No. 884 （2020）, DOI: 10.1299/transjsme.20-00022.
（2）小方聡, 仁科勇太, 栃木弘, 渡辺敬三, 酸化グラフェンナノシート懸濁液による抵抗減少効果と熱伝達特性, 日本機械学会論文集, Vol. 86, No. 885 （2020）, DOI: 10.1299/transjsme.20-00047.
（3）本間怜人, 巽和也, 栗山怜子, 中部主敬, Boxcar型電極を用いた誘電泳動力によるマイクロ流路内粒子の離隔と整列機構, 日本機械学会論文集, Vol. 86, No. 890 （2020）, DOI: 10.1299/transjsme.20-00117.
（4）Paul, S., Hsu, W. L., Magnini, M., Mason, L. R., Ito, Y., Ho, Y. L., Matar, O. K., Daiguji, H, Analysis and control of vapor bubble growth inside solid-state nanopores, Journal of Thermal Science and Technology （2020）, DOI: 10.1299/jtst.2021jtst0007.
（5）寺田行彦, 志賀拓麿, ねじれグラフェンナノリボン熱伝導の弾道輸送解析, 日本機械学会論文集, Vol. 86, No. 892 （2020）, DOI: 10.1299/transjsme.20-00292.
（6）杉田直広, 進士忠彦, 平面分布したマイクロカプセル群の数濃度と崩壊率に関する実験的解析, 日本機械学会論文集, Vol. 86, No. 895 （2021）, DOI: 10.1299/transjsme.20-00193.
（7）InnoThermホームページ, マサチューセッツ工科大学 機械工学科，http://meche.mit.edu/international-colloquia-thermal-innovations（参照日2021年4月8日）
23.5 バイオ・医療MEMS
マイクロ・ナノ工学技術は，細胞や核酸をはじめとする生体試料との親和性が高いことから，バイオや医療分野への応用研究が盛んである．2020 年度の日本機械学会年次大会では，マイクロ・ナノ工学部門関連の8つのオーガナイズドセッション（OS）のうち3つがバイオと医療に関連するトピックスであった．OS「マイクロ・ナノ工学とバイオエンジニアリング」では演題数が年々増加しており，OS「機械工学に基づく細胞アッセイ技術」が2019年度に発足したことからも，マイクロ・ナノ工学分野における最近のバイオ・医療応用研究の活況ぶりがうかがえる．2020年度のマイクロ・ナノ工学シンポジウムにおいても例年どおり全体の約3割がバイオ・医療に関連する演題だった．研究内容は，多岐にわたるが，概ね，生体試料の操作・処理技術，バイオミメティクス，バイオメカニクス，バイオセンシング，臓器チップ，医療機器に大別される．
2020年度の本学会系列の講演会では，生体試料の操作および処理技術に関する内容が最も多く，誘電泳動（1）や音響泳動（2），磁気アルキメデス効果（3），ヘテロダイン干渉（4）などの物理現象を活用して非接触で操作・分離する方法や，可変マイクロフィルタ（5）や特殊なマイクロ流路構造（6）によって血中の対象細胞を分離する方法が報告された．バイオセンシングとしては，生分解性材料のみで構成される土壌モニタリングpHセンサ（7），ウェアラブルデバイス（8），細胞動態をオンチップで計測するための細胞外電位計測用微小電極アレイ（9）やグルコースセンサ（10），骨格筋収縮計測デバイス（11）などが報告されている．バイオセンシング技術は，医療や環境モニタリングに向けてIoT技術との連携が急速に進められており，MEMSを基盤技術とする小型のセンシングデバイスの価値が高まると考えられる．
世界に目を向けてみると，近年，MicroTASやMEMSなどのマイクロ・ナノ工学関連の国際学会などでは，マイクロ・ナノデバイスがバイオの基礎研究に応用された研究事例が散見される．すなわち，マイクロ・ナノ工学技術が，学問分野の垣根を越えてバイオや医学の研究者に認知され，実用的なツールとして広まりつつあるということに他ならない．特に，この5年ほどで世界的に実用化が急速に進められている技術が，マイクロデバイスと細胞を組み合わせて構成される臓器チップをはじめとするMicrophysiological system（MPS）である（12）．MPSは人工多能性幹細胞（iPSC）などの培養細胞と組合わせることで創薬や再生医療への応用が期待されている技術である．欧米諸国では，複数のベンチャー企業がMPSの製品化を実現しており，製薬企業が利用した事例も報告されている（13）．2020年度は，未曾有のパンデミックに見舞われたが，これまでにマイクロ・ナノ工学分野で蓄積された技術を応用して，SARS-CoV-2を検出するための様々なPoint-of-care testing（POCT）技術が開発研究され，一部はすでに製品化されている（14）．このように，マイクロ・ナノ工学のバイオ・医療分野への応用は，基礎研究から実用研究まで幅広く展開されており，今後ますますの発展が期待される．
〔木村 啓志 東海大学〕
参考文献
(1) 大地健吾，多田茂，江口正德，4重極型キャピラリー誘電泳動デバイスによる細胞分離，日本機械学会2020年度年次大会講演論文集（2020）, J02604.
(2) 藤井忠彦，森脇洋，秋山佳丈，マイクロプラスチック回収のための音響泳動による連続分離機構の検討，日本機械学会2020年度年次大会講演論文集（2020）, J02612.
(3) 中野翔太，菱田豊，秋山佳丈，磁気アルキメデス効果を用いた磁気走査型細胞描画における最適走査速度の検討，日本機械学会2020年度年次大会講演論文集（2020）, J02615.
(4) 佐藤麟太郎，芹田真澄，Lucas BESSE，山本憲，元祐昌廣，フローサイトメトリーによる10nm粒子の検出，日本機械学会2020年度年次大会講演論文集（2020）, J02502.
(5) 熊本清太郎，福山創一朗，安田敬一郎，北村祐介，岩槻政晃，馬場秀夫，井原敏博，中西義孝，中島雄太，動的変形マイクロフィルタによるヒト全血中微量癌細胞の特異的捕捉，日本機械学会2020年度年次大会講演論文集（2020）, J02602.
(6) 村上友樹，小祝敬一郎，鈴木宏明，DLD法を用いたエビ血球細胞の分離と評価，日本機械学会第12回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集 （2020）, 28A3-MN3-12.
(7) 堀克紀，稲見文香，尾上弘晃，生分解性材料を用いた土壌モニタリングセンサ，日本機械学会第12回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集（2020）, 27P2-MN2-1.
(8) 嘉本海大，稲森剛，磯田豊，高橋祐次，北嶋聡，大久保亮，太田裕貴，毒性試験ための小動物用ウェアラブルパルスオキシメータの開発，日本機械学会第12回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集（2020）, 28P1-MN3-6.
(9) 張東暁，平井義和，亀井謙一郎，田畑修，土屋智由，細胞外電位計測を目的としたパリレン製微小電極アレイのボディ・オン・チップへの集積，日本機械学会第12回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集（2020）, 26P2-MN1-2.
(10) 植木崇，碓井政貴，小森喜久夫，酒井康行，木村啓志，細胞動態の長期オンライン計測に向けた脱水素酵素型グルコースセンサの開発，日本機械学会2020年度年次大会講演論文集（2020）, J02611.
(11) 原田真樹，中村友浩，横山奨，人工骨格筋収縮力の連続的定量測定を目的としたデバイスの開発，日本機械学会2020年度年次大会講演論文集（2020）, J02605.
(12) Kimura, H., Sakai, Y. and Fujii, T., Organ/body-on-a-chip on microfluidic technology for drug discovery, Drug Metabolism and Pharmacokinetics, Vol.33, No.1 （2018）, pp.43-48.
(13) Kopec, A. K., Yokokawa, R., Khan, N., Horii, I., Finley, J. E., Bono, C. P., Donovan, C., Roy, J., Harney, J., Burdick, A. D., Jessen, B., Lu, S., Collinge, M., Sadeghian, R. B., Derzi, M., Tomlinson, L. and Burkhardt, J. E., Microphysiological systems in early stage drug development: Perspectives on current applications and future impact, The Journal of Toxicological Sciences, Vol.46, No.3 （2021）, pp.99-114.
(14) Song, Q., Sun, X., Dai, Z., Gao, Y. Gong, X., Zhou, B. Wu, J. and Wen, W., Point-of-care testing detection methods for COVID-19, Lab on a Chip,（2021）, Doi:10.1039/D0LC01156H.
23.6 IoT
IoT（Internet of Things）とは，モノ同士がインターネットを介して接続され，お互いに通信しあい情報を共有し，制御しあう概念を示す．このIoTが1999年に提唱されてから，約20年になる2021年には本格的に，その概念が実現しつつある．さらに，コロナ禍において，IoTデバイスは，人々が直接接することなく仕事や生活を送ることのできるツールとしてさらに重要性を増すものと考えられる．今後，IoTは更に発展し，2022年～2025年には年間約一兆個のセンサが出荷されるとされており，このような多数のセンサに囲まれた社会はTrillion sensor universeと呼ばれている．このセンサにおける”ムーアの法則”に従って社会が推移していくものと考えらえる．5Gネットワーク網が構築されようとしている現在，機械学習による解析と相まって今後も高い需要がある．本論では，2020年,2021年初期に発表されたIoTを支える研究に関して論じる．
従来までセンサ開発はバイタルを検出するための物理センサを主体に開発が進んできた（1)(2）．2016年に世界で初めてセンサの選択性を高めた汗成分のリアルタイム解析スマートデバイスが提案された（3）．それ以来，センサを超えたシステムスケールでのスマートデバイスの提案（4）が研究レベルでなさるようになった．特に，2019年以前はヘルスケア用途（つまり薬事などが絡まない一般用途）を対象としたデバイスが数多く発表されてきた．ここ数年はヘルスケアからさらに医療用途を見越した研究発表が数多くなされるようになった（5）-（7）．医療用途を考慮したときウェアラブルデバイスが最も価値を見いだせる対象は自分自身では体調を発言できない対象である．そのため，新生児やペット，畜産の動物，植物等の体調管理に，これらIoT技術は非常に威力を発揮するものと考えられる（8）．
要素技術としては，上の医療用途に対応して長期使用を加味した基板材料設計も近年盛んにおこなわれている．従来は，ポリイミドやパリレンなどが使用されてきた．これらは生体適合性が高く，表面も比較的平滑であり，FET等の薄膜電子素子を扱いやすい．その一方で，水分透過性などが低く長期の装着が不快であるという欠点を有する．これは例えばサランラップを肌に装着しているイメージが近いと考えられる．サランラップを長期間装着すれば，サランラップと肌の界面に大量の汗が蓄積し，不快になる．そのため，Someyaらのグループはナノメッシュ等で水分透過性等を向上させている（9）．産業化を考慮するうえで，これら長期化使用のための検討は非常に重要である．
以上のように，IoT技術は本格化の過渡期にあり，まだまだ課題と日進月歩での発展性を秘めている．今後，社会・生活を大きく変える技術の一つとして期待できる．
〔太田 裕貴 横浜国立大学〕
参考文献
(1)B. Xu, A. Akhtar, Y. Liu et al., An Epidermal Stimulation and Sensing Platform for Sensorimotor Prosthetic Control, Management of Lower Back Exertion, and Electrical Muscle Activation, Advanced Materials, Vol. 28, No. 22 (2016), pp. 4462-4471.
(2)N. T. Tien, S. Jeon et al, A Flexible Bimodal Sensor Array for Simultaneous Sensing of Pressure and Temperature, Advanced Materials, Vol. 26, No. 5 (2014), pp. 796-804.
(3)W. Gao, S. Emaminejad, H. Y. Y. Nyein,et al, Fully-integrated wearable sensor arrays for multiplexed in-situ perspiration analysis, Nature, Vol. 529 (2016), pp. 509-514.
(4)L.-C. Tai, W. Gao, M. Chao,et al., Methylxanthine drug monitoring with wearable sweat sensors, Advanced Materials, Vol. 30, No. 23 (2018), p. 1707442.
(5) G. Inamori, U. Kamoto, F. Nakamura, Y. Isoda, A. Uozumi, R. Matsuda, M. Shimamura, Y. Okubo, S. Ito, H. Ota, “Neonatal wearable device for colorimetry-based real-time detection of jaundice with simultaneous sensing of vitals.”, Science Advances, 7(10), eab3793, 2021.
(6) J.W. Kwak, M. Han, Z. Xie, H.U. Chung, J.Y. Lee, R. Avila, J. Yohay, X. Chen, C. Liang, M. Patel, I. Jung, J. Kim, M. Namkoong, K. Kwon, X. Guo, C. Ogle, D. Grande, D. Ryu, D.H. Kim, S. Madhvapathy, C. Liu, D.S. Yang, Y. Park, R. Caldwell, A. Banks, S. Xu, Y. Huang, S. Fatone, J.A. Rogers, “Wireless Sensors for Continuous, Multimodal Measurements at the Skin Interface with Lower Limb Prostheses,” Science Translational Medicine 12(574), eabc4327 (2020).
(7) M. Han, L. Chen, K. Aras, C. Liang, X. Chen, H. Zhao, K. Li, N.R. Faye, B. Sun, J.-H. Kim, W. Bai, Q. Yang, Y. Ma, W. Lu, E. Song, J.M. Baek, Y. Lee, C. Liu, J.B. Model, G. Yang, R. Ghaffari, Y. Huang, I.R. Efimov and J.A. Rogers, “Catheter-integrated Soft Multilayer Electronic Arrays for Multiplexed Sensing and Actuation During Cardiac Surgery,” Nature Biomedical Engineering 4, 997-1009 (2020).
(8) Y. Lu, K. Xu, L. Zhang, M. Deguchi, H. Shishido, T. Arie, R. Pan, A. Hayashi, L. Shen, S. Akita, K. Takei, “Multimodal plant healthcare flexible sensor system”, ACS Nano, 14, 10966-10975, 2020.
(9) S. Lee, S. Franklin, F. A. Hassani, T. Yokota, M. O. G. Nayeem, Y. Wang, R. Leib, G. Cheng, D. W. Franklin, T. Someya, “Nanomesh pressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference”, Science, 370(6519), pp966-970, 2020.