マイクロLEDを埋め込んだ極薄フィルムで脳を覆う光遺伝学用デバイスを開発、脳神経の包括的な理解に道

マイクロLEDを埋め込んだ極薄フィルムで脳を覆う光遺伝学用デバイスを開発、脳神経の包括的な理解に道

開発したマイクロLEDアレイ。写真左:マイクロLEDアレイ中空構造。写真右:マイクロLEDアレイ極薄フィルムの発光像

豊橋技術科学大学(関口寛人准教授)、獨協医科大学(大川宜昭准教授)、沖縄科学技術大学院大学(福永泉美准教授)は3月18日、脳を覆って神経細胞を光で操作する、柔軟で極薄の生体適合性フィルムに多数のマイクロLEDを埋め込んだ光遺伝学用デバイスを開発したと発表した。

近年、特定波長の光で活性化するタンパク質を使って神経細胞の活動をコントロールする「光遺伝学的手法」が注目されている。特に、複雑な脳の神経ネットワークの包括的な理解に役立つことが期待されているが、それには広範囲に分布する特定の神経細胞の部位を自在に制御できる光刺激技術が必要となる。従来の光ファイバーや顕微鏡を用いる方法では、複数の部位に同時に光をあてることが難しく、また自由に行動する動物への適用も限られる。そこで、生体に埋め込めるLEDデバイスに期待が集まっているのだが、通常のLEDでは大きすぎてこの目的にはそぐわない。

そこで研究グループは、サイズが100μm(マイクロメートル)以下、厚さが数μmというマイクロLEDを、生体適合材料である極薄のパリレンフィルムの上に格子状に配置する手法を編み出した。化学薬品で半導体結晶の特定方向だけを溶かす「異方性ウェットエッチング」という技術を使い、シリコン基板の上に形成されたマイクロLED層の下側を溶かして浮かせ、マイクロLED層だけを剥がした後、パリレンフィルムに転写した。こうすることで、曲げても光照射特性が劣化しないフィルムができあがった。これをマウスの脳の表面に貼り付けたところ、明るい青い光を放った。

マイクロLEDを埋め込んだ極薄フィルムで脳を覆う光遺伝学用デバイスを開発、脳神経の包括的な理解に道

マイクロLEDを埋め込んだ極薄フィルムで脳を覆う光遺伝学用デバイスを開発、脳神経の包括的な理解に道

マウス脳に密着したマイクロLEDアレイ極薄フィルムにおいて、3点の狙ったLEDを点灯させた光照射の様子

脳の広い範囲を覆うことができるこのデバイスを使えば、光を使った複雑な脳活動の制御が可能になる。計測技術を組み合わせれば、脳の活動と、行動や疾患との関係が包括的に理解できるようになり、新しい神経科学研究の道が拓かれることも期待される。さらに、光に反応する生体内機能分子の開発が進めば、光をあてることで薬剤を狙った部位に好きなタイミングで効かせることができる生体埋め込みデバイスによる光治療技術への応用も期待できるということだ。

広島大学が発光効率最大80%のシリコン量子ドットの合成に成功し、シリコン量子ドットLEDを開発

(a)は出発素材。(b)はaの粉末体で、(c)はbを焼成した生成物。(d)は赤色発光するシリコン量子ドット(溶液中に分散)。(e)はdの電子顕微鏡像

(a)は出発素材。(b)はaの粉末体で、(c)はbを焼成した生成物。(d)は赤色発光するシリコン量子ドット(溶液中に分散)。(e)はdの電子顕微鏡像

広島大学は、発光効率が最大80%という世界トップレベルの赤色発光シリコン量子ドットの合成に成功し、それを用いたシリコン量子ドットLEDを開発したと発表した

10nm(ナノメートル)以下の発光性の半導体ナノ結晶「量子ドット」は、すでにタブレットや大画面テレビなどの発光体に利用され始めているが、現在はインジウム系(レアメタル)、カドミウム系や鉛系などの重金属で作られており、自然環境保護の観点から、毒性の少ないものが求められている。それに対してシリコン量子ドットは、砂や石から作れるシリコン製であるため、安全・安価であり、シリコン量子ドット溶液と高分子溶液を基板に塗布するという、簡便な製造法で作ることができる。

カドミウム系や鉛系を使った重金属製の量子ドットは、発光量子収率が最大98%と高いものの、そこには環境適合性と効率性との相反関係がある。欧米の研究グループからは、発光量子収率が60%を超えるシリコン量子ドットが報告されているが、その高効率発光のメカニズムは、よくわかっていなかった。

広島大学は、これまで17年間にわたりシリコン量子ドットの研究を続けており、今回、発光量子収率が最大80%という赤色シリコン量子ドットの合成に成功し、しかもその構造を明確化した。表面が水素で覆われた直径3nmのシリコン量子ドットを合成し、これをコアとして、表面に結合する物質(リガンド)で化学的に変化させ、デシル基修飾のシリコン量子ドットを合成した。このときの化学的変化(化学修飾)を、熱反応と常温反応という2つの種類で行ったのだが、そこで得られたシリコン量子ドットの構造と物性を数値化し、高効率発光のメカニズムに紐付けたことが、この研究のポイントだと広島大学では話している。

今回開発された製造手法は、他のリガンドを持つシリコン量子ドットにも拡張できる汎用的なものであり、高効率シリコン量子ドットとそのLEDの製造における有力モデルになるとのことだ。今後は、さらに高強度、高効率のシリコン量子ドットとLED、その他の発光色への展開を目指すとしている。

広島大学が発光効率最大80%のシリコン量子ドットの合成に成功し、シリコン量子ドットLEDを開発

(a)シリコン量子ドットLED作製手順の概略図。(b)LEDの写真。2cm角で発光面は4mm2の大面積。(c)シリコン量子ドットLEDが発光している様子。(d)LEDの発光(EL)スペクトル

名古屋市立大学が紫外線を使わない光殺菌技術の開発に成功、人体に害のない可視光線を瞬間的に照射

名古屋市立大学が紫外線を使わない光殺菌技術の開発に成功、人体に安全な可視光線を利用し殺菌

名古屋市立大学は11月24日、人体に有害な紫外線を使わず、可視光線を使った光殺菌技術を開発したと発表した。ウイルスや細菌の殺菌に使われる紫外線ライト(UVC。波長が200~280nmの光)は、人の細胞やタンパク質に強く吸収されるため有害とされている。名古屋市立大学が開発した技術は、人体に害のない可視光線を瞬間的に照射するというものだ。

名古屋市立大学大学院医学研究科細菌学分野の立野一郎講師、長谷川忠男教授、芸術工学研究科の松本貴裕教授らによる研究グループは、瞬間的な可視光パルス照射(ストロボのフラッシュ光のようなイメージ)により、ウイルスや細菌を効率的に殺菌できることを実証した。高輝度の可視光線をナノ秒(10億分の1秒)程度照射すると、小さなウイルスや細菌は瞬間的に300度ほどの温度に達して死滅する。人間の細胞はもっとずっと大きいため、温度はあまり上がらず安全が保たれるという。

この方法は、レーザー物理学の先端的な研究分野で用いられている共鳴励起という手法を、病原性ウイルスや細菌の殺菌手法に取り込んだ、最先端の研究成果としている。名古屋市立大学が紫外線を使わない光殺菌技術の開発に成功、人体に安全な可視光線を利用し殺菌

研究グループは、独自開発した「ナノ秒波長可変パルスレーザー殺菌装置」を使い、溶液に浸した細菌に見立てた金の微粒子にパルスレーザーを照射したところ、金の微粒子は瞬間的に1000度に達して溶解した。しかし溶液の温度は2度程度しか上がらなかった。

名古屋市立大学が紫外線を使わない光殺菌技術の開発に成功、人体に安全な可視光線を利用し殺菌名古屋市立大学が紫外線を使わない光殺菌技術の開発に成功、人体に安全な可視光線を利用し殺菌

今回の研究で用いられた高輝度可視光線のパルスフラッシュ光は、現在のLEDの技術で容易に構築できるという。今後は、LED照明に「パルスフラッシュ殺菌光」を搭載したハイブリッド型照明器具への展開が予想されるとのことだ。病院や一般家庭への普及が期待される。

電球1つで通信可能、LEDとSIMの一体型IoT電球「HelloLight」でさりげない見守りサービス

家庭にある電球を取り換えるだけでHelloLightは使えるようになる

LEDとSIMが一体化したIoT電球「HelloLight(ハローライト)」を提供するハローライトは、どの家庭にもある電球に着目し、HelloLightの点灯状況から異常を知らせる見守りサービスを展開している。

HelloLightは一般的な電球と同じ規格となり、明るさは40W形相当で口金はE26となっている。トイレやお風呂、洗面所など、1日のうちに利用する場所の電球と取り換えるだけで使える。Wi-Fiや電源コンセントに繋ぐ必要はなく、特別な設置工事もいらない。

LEDとSIMの一体化

ハローライトが販売する場合、ベーシックプランで本体代と3年間の通信料込みで税込1万6720円となる。また現在、ヤマト運輸などが同社と提携しそれぞれのサービスと組み合わせて販売しているため、販売窓口により価格やサービスは異なる。

増える高齢者の1人暮らし

日本社会は高齢化の一途を辿っている。内閣府の高齢化社会白書によると2019年10月時点で、日本の総人口1億2617万人のうち、3589万人(総人口の28.4%)が65歳以上の高齢者となっている。

高齢者の1人暮らしの人数をみると、1980年に男性が約19万人、女性が約69万人だったが、2015年には男性が約192万人、女性が約400万人に増加。また、厚生労働省の調査では2017年に全国で約627万世帯だった高齢者の1人暮らしは、2019年には約737万世帯となった。今後、高齢者の1人暮らしはさらに増えると予想されている。

さらに、過疎化が進む地方などでは地域コミュニティの繋がりが弱まり、高齢者が孤立しやすい状況が問題になっている。介護福祉事業者や自治会といった見守る側の高齢化や人材不足の他、コロナ禍で帰省なども気軽にできなくなり、見守りサービスの重要性は高まっているのだ。

IoT電球「HelloLight」から点灯状況を発信

HelloLightによる通信の流れ

HelloLightは電球内に、SIMとアンテナが内蔵されている。IoT向けの通信技術のLPWA(Low Power Wide Area)に対応し、スマホで電波が通じる場所であれば、電球1つで基地局に点灯状況の通信ができる。

ユーザーはHelloLightのシリアルナンバーと自身のメールアドレスを紐づけるだけで見守りサービスが始められる。見守りサービスの基本機能は、HelloLightの通信から得た点灯状況をクラウド上で管理し、前日の24時間で点灯と消灯の動きがないといった異常があった時に限り、翌日にメールで知らせるものだ。

異常を知らせる仕組み

メールの送信先は事前にメールアドレスを登録した家族らになる。家族らは異常を知らせるメールを受けたら、設置先の高齢者に連絡を取ることで、状況を把握することができる。メールアドレスの登録者はスマホのブラウザから、点灯状況の最終検知時間なども確認可能だ。

ハローライトでは、登録できるメールアドレスが増え、点灯したら通知が来る機能や、異常を知らせるメールを受ける時間帯を設定できるといったスタンダードプランへのアップグレードを推奨している。ベーシックプラン購入手続き後、追加で月額税込330円を支払うかたちとなる。

見守りカメラ・センサーなど用いたサービスでは、高齢者が常に監視されているという状況に慣れないこともあるという。HelloLightであれば、単に電球のON / OFFを検知しているだけなので、高齢者のプライバシーに干渉せずに済む。HelloLightは見守りサービスとしての機能をシンプルにした結果、サービス利用までのハードルを大きく下げることに成功しているのだ。

ハローライトの鳥居暁代表は「電球の点灯状況は、窓から漏れる明かりと同じ。遠くにいてもその家の明かりを知ることができるようにしたのがHelloLightです。さりげない見守りとして、何かあれば気が付くことができます」と語った。

さりげない見守りサービスとして、シンプルなものに

3年半を経てHelloLightを開発

初年度で5000個を出荷

HelloLightは2019年5月に初出荷したが、試作品はその4年前に発表していた。そもそも鳥居氏の別会社でIoT電球を開発し、別の用途で利用する考えで動いていた。その中で、社員から介護支援を行うケアマネージャーの話を聞き、見守りサービスとしてのアイデアが生まれたという。

当時はIoT電球とは別にインターネット通信用の機器が必要で、月々の費用も高価になるという課題があった。鳥居氏は課題解決のため3年半の間、研究開発・実証実験を続け、2018年12月にHelloLightの開発に漕ぎ付けた。月々の費用も従来から10分の1程度に抑えることに成功した。

販売すると市場からの反響は良く、事業可能性があるとして、鳥居氏は2019年6月にハローライトを立ち上げた。初出荷から1年間で約5000個を売り上げ、2021年6月までの2年間で販売個数は約1万個に到達する見通しだ。

HelloLightの全国展開と海外進出への動き

世界80カ国以上に対応

ハローライトは大手事業者とも連携している。同社とヤマト運輸は2020年6月から東京都多摩市で、HelloLightを活用した見守りサービスの実証実験を行った。ヤマト運輸によると、サービスの実効性が得られた他、地方自治体から導入の要望が多く寄せられたという。このため、2021年2月からは全国で同サービスを展開している。

このヤマト運輸との取り組みのように、事業者などにはHelloLightの法人向けサブスク型サービスを提供。HelloLightにプラスアルファで事業者らが持つサービスを付加し、その上で料金設定をして販売できるようにしている。

今回のヤマト運輸の場合では、HelloLightの設置から異常時のメール通知、ユーザーからの依頼時における代理訪問までのパッケージ料金で、月々税込1078円となる。

鳥居氏によると、不動産会社や地域の自治会単位でも利用が多いという。それぞれがHelloLightの運用をよりしやすくするため、HelloLightを一元管理するシステムも提供している。ハローライト単体でHelloLightを売り出すのではなく、販売パートナーを増やしていくことで、HelloLightの普及をさらに進める狙いだ。

HelloLightは日本で広がりをみせているが、製品自体は世界80カ国以上に対応している。鳥居氏は今後の展開についてこう語る。

「我々は中国進出を検討しています。中国の高齢化も急速に進み、2025年に高齢者は3億人になると言われています。2020年に東京都主催のグローバルアクセラレータープログラム『X-HUB Tokyo』の深センコースに採択されました。現在、中国の企業や銀行などの支援により、協議を進めています」。

カテゴリー:IoT
タグ:ハローライトLED高齢者日本

画像クレジット:ハローライト

「マンダロリアン」シーズン2撮影用のリアル空間を創り出す巨大な高解像度LEDディスプレイをILMが公開

2020年の「The Mandalorian(マンダロリアン)」シーズン1は、すばらしいテレビドラマであっただけでなく、映画およびテレビ制作のまったく新しいパラダイムの成果でもあった。ILMが「マンダロリアン」シーズン1の撮影に使用した巨大なLEDウォールStagecraft(ステージクラフト)は、その後、サイズが大きくなり、アップデートされ、より良く、より早く、より簡単に使えるようになった。

メイキング動画では、ILMの監督やその他のスタッフが、それによって何もかもが楽になったと語り、バージョン2.0の改良点を数え上げている。

Stagecraftで最も目につくのは、その「大きさ」だ。それは2階建ての高さの壁と天上を構成する高解像度LEDディスプレイだ。それに囲まれた中に実際のセットが組まれるのだが、そこに生み出される大きな空間は実にリアルだ。正しい方法で撮影を行えば、その仮想背景と本物の景色との見分けはつかなくなる。

とにかく巨大なため、ロケと精密なセットをかけ合わせた撮影が可能になる(しかも天候や移動スケジュールを気にせずに済む)のだが、何よりも数十年間、役者がその前に立たされ続けてきた音響スタジオや移動式のグリーンバックよりもずっと優雅だ。それだけではない。制作上の性質が異なる数多くの作業工程を、1本にまとめてくれる。

「みんなが同じページに立てるようになったことが、このシステムのすばらしいところです」と、ILMで「マンダロリアン」のエピソードを(それに映画も)数多く制作した監督Robert Rodriguez(ロバート・ロドリゲス)氏は話す。「それは役者をインスパイヤーし、制作スタッフをインスパイヤーし、さらに今何を撮っているのかが、わかるようになりました。まあ、ついにライトを点けて絵を描けるようになったという感じです」。

Stagecraftは大成功という以外にないように思われるが、それでもまだまだ開発の途上にある。エンド・ツー・エンドのシステムとして、それには何十ものレンダラー、カラーコレクション・システム、カメラ、プリプロダクションおよびポストプロダクション用ソフトウェア、そしてもちろんLEDウォールそのものが必要となり、それらは常に進化している。

画像クレジット:ILM

「シーズン2までに、ILMはこの技術とこのハードウェアの機能のための専用ソフトウェアをいくつも開発しました」と、同番組のエグゼクティブプロデューサーであり、映画制作用新技術の不屈の後援者であるJon Favreau(ジョン・ファヴロー)氏はいう。

制作チームからは、具体的な要望が数多く寄せられていた。加えて通常のバグ修正と性能向上の作業が、ワークフォローの改善につながっていった。さらに、ディスプレイのサイズも大きくなり、画質も向上した。

「より効率的なワークフロー作りにも力を入れるよう促されました。プリプロダクション、ポストプロダクション、メインの制作を1本のパイプラインにつなげたのです」とファブロー氏は話す。通常のロケやグリーンバック技術よりも自然で美しい上に、1日に消化できる台本のページ数が30〜50パーセント多くなった。これはどのプロデューサーに聞いても、信じられないと驚くだだろう。

ILM、Disney(ディズニー)、Unreal(アンリアル)その他の企業が力を合わせて実現したこの技術とパイプラインの改良の様子は、さらに深く追いかけていく。それまでは、下のメイキング動画を楽しんでいただきたい。

 

カテゴリー:ハードウェア
タグ:ILMThe Mandalorianディスプレイ映画Disney+

画像クレジット:ILM

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(文:Devin Coldewey、翻訳:金井哲夫)