2023/11/30 アナ・マリア・ミハルチェア医学博士

この記事をnanowerkから再掲載したい。その目的は、このナノテクノロジーによるバイオセンシング産業がいかに広大なものであるかを一般に知らせることである。スマートダストは、何十年もの間、私たちの生物圏全体に空中散布（「ジオエンジニアリング」）されてきた。これは、私たちの体が自己組織化ナノテクノロジーで汚染される一つの方法である。ワイヤレスで環境を監視し、変化させるために使用されるため、人間に対しても同じことが言える。

スマートダストとは何か？

それぞれが砂粒かそれ以下の大きさのセンサーの雲が、ハリケーンの風によって上空に吹き上げられ、嵐に関するデータを下方の気象観測所に中継する様子を想像してほしい。目に見えないセンサーネットワークがスマートシティの道路に埋め込まれ、交通量や路面の損傷を監視し、利用可能な駐車スペースを特定する。あるいは、何十億ものナノセンサーが森林や火災の危険性があるその他の地域に分布し、火災をその初期段階で検知する。あるいは、タービンブレードに目に見えないマイクロクラックが検出されたときにアラーム信号を発する、プログラム可能なスマートダストを想定している。

スマート・ダストとは、砂粒ほどもないサブ・ミリ・スケールの自律コンピューティング・センシング・プラットフォームのワイヤレス・ネットワークを指す。スマートダストは、光、温度、音、毒物の有無、振動など、環境に関するデータを感知・記録し、そのデータをより大きなコンピューター・システムにワイヤレスで送信する。

スマートダストは、何兆個もの極小センサーからなるインテリジェント・ネットワークが、周囲の環境で何が起こっているかを絶えず感じ、味わい、嗅ぎ、見、聞き、互いに通信し、情報を交換する、ネットワーク化された未来のビジョンである。スマート・ダスト・ネットワークは、究極のIoT（モノのインターネット）デバイスである。

スマートダストが画期的なのは、センサーが狭い場所や難しい場所でも、どこにでも設置できるほど小さいからだ。もう一つの大きな利点は、これらのデバイスはあらかじめプログラムされているため、人間の介入なしに動作し、その小さなサイズにもかかわらず、独自の電源を持っていることである。

この技術は、ビル制御、パイプライン、工場設備、薬品製造工程を監視するだけでなく、認証、医療処置とヘルスケア監視、センシングと追跡、産業とサプライチェーン監視、防衛アプリケーションなど、エンドユーザーの近くでユビキタスな自律型人工知能計算を行うことにつながると期待されている。

スマート・ダスト・デバイスはまだ塵ほどの大きさには達していないが、研究者たちは、ナノテクノロジーによってこれらのデバイスを塵の一粒ほどの大きさまで縮小することを望んでいる。

経済的に実現可能であるためには、このような単回使用デバイスは安価でなければならない（1ペニー、あるいは1ペニーの何分の1という話だ）。例えば、倉庫の在庫を追跡するために現在使用されている無線周波数識別タグよりもさらに安価でなければならない。

スマートダストはどのように機能し、何をするのか？

スマート・ダスト・ネットワークには、センシング、コンピューティング、無線通信機能、自律的な電力供給を体積数立方ミリメートル以下の小さなパッケージにまとめたノード（「モート」と呼ばれる）が含まれる。

スマートダストは、微小電気機械システム（MEMS）に基づいている。MEMSは、センサーやアクチュエーターとして機能する機械的（レバー、バネ、膜など）と電気的（抵抗器、コンデンサー、インダクターなど）コンポーネントの組み合わせで構成される。将来的には、製造技術が進歩するにつれて、NEMS（ナノエレクトロメカニカル・システム）まで小型化されるでしょう。

Motesは、従来のシリコン微細加工技術を用いて製造され、埃のような環境で浮遊した状態を保つことができる（これが名前の由来である）。

各モーテは、光、温度、圧力、振動、毒物の有無などの環境データを収集するために無人で放置することができ、このデータをより大規模で遠隔のコンピューター・システムにワイヤレスで送信することができる。

例えば、産業環境では、スマート・ダスト・センサーが信号をコマンド・コンピューターに中継し、コマンド・コンピューターがデータを集計して工場管理者にフィードバックする。あるいは、建物の温度を下げたり、水の流量を減らすといった自動的な反応を引き起こすこともできる。

もうひとつの例は、DARPAのSHIELDプログラムで、マイクロスケールチップを使用して、防衛用途のコンピューターチップのサプライチェーンを追跡し、認証することを計画している。その目的は、偽造を複雑で時間のかかるものにして費用対効果を高め、電子機器のサプライチェーンから偽造集積回路を排除することである。SHIELDは、NSAレベルの暗号化、センサー、近接場電力、通信を集積回路のパッケージに挿入可能な極小チップに統合することを目指している。

スマートダストのコンセプトの由来

「スマートダスト」は1990年代、カリフォルニア大学バークレー校の電気工学教授だったクリス・ピスター博士が、インテリジェントな無線センサーを配備する簡単な方法として最初に考案した。

当時ピスターは、ユビキタス・センサーが計測可能なあらゆるものを計測できる世界を想像していた。彼はすぐに、天候追跡のような環境への応用を考えた。

しかし、スマートダスト開発のきっかけを作り、資金を提供したのが軍であったことは驚くにはあたらない。1992年、DARPAはスマート・ダスト・プロジェクトでピスターの研究に資金を提供した。

平方キロメートルをカバーする数千のセンサーノードが自律ヘリコプターで運ばれる。数時間／数日間にわたって車両の動きを追跡し、携帯型受信機またはヘリコプター搭載型受信機で質問すると、ライブ映像に重ねて情報を報告する。

スマート・ダスト・モータの構成要素

非常に基本的に、すべてのモートはセンサー、回路、通信、電源の4つのデバイス・クラスで構成されている。ワイヤレス・センサ・ノードでは、概念的に次のような回路図になる。

無線センサーノードのシステム設計例。3Dプリントされた機能的な立方体パッケージで構成され、インクジェットプリントされた複数のセンサーとアンテナが入っている。回路基板も3Dプリントされ、パッケージに封入されたマイクロエレクトロニクスを含む。(出典：DOI 10.1002/admt.201700051)

パッケージ全体には、振動、温度、圧力、音、光、磁場などを検出・測定するというモーテの主要なセンシング目的を実行するための1つ以上のMEMSまたはNEMSセンサーが含まれている。センサーとインターフェースし、データを処理・保存する回路（マイクロコントローラー）。理想的には、全方向への均等な放射を保証する送信機と3Dアンテナで構成される通信。モート全体の電源は、動作領域にもよるが、太陽電池アレイ、または薄膜バッテリーやスーパーキャパシターの一種となる。

パッケージ全体は以下のようになる。

上記の例の立方体の寸法は一辺が21mmだが、これはスマート・ダスト・モートの基本コンセプトとコンポーネント・アーキテクチャを示している。必然的な小型化により、これらのデバイスは最終的にサブミクロンスケールとなる。

小型化が信じられないほど小さな部品につながる例をさらに2つ紹介しよう。

3Dプリントによるマイクロスケールレンズシステム

六角形レンズ配列の走査型電子顕微鏡像。各ダブレットレンズ系の直径は120 µm、高さは128 µm。スケールバー、100 µm。(出典：DOI 10.1038/NPHOTON.2016.121）

研究者らは、自律的な視覚を持つスマートなダストモットにつながる可能性のある、およそ100ミクロン、塩の粒の大きさの完全に動作するマルチレンズ対物レンズを実証した。このレンズは、前例のない性能と高い光学品質を示し、イメージング用途では1ミリメートルあたり最大500ラインペアの解像度を持つ。

ダストサイズの電源

より小さなマイクロエレクトロニクス・コンポーネントのために、サブミリメートル・レンジのエネルギー貯蔵デバイスをより小さくすることは、大きな技術的課題である。それにもかかわらず、研究者たちは、このナノスーパーキャパシターの例が示すように、そのサイズを継続的に縮小することに成功している。

指先の90個のチューブ状スーパーキャパシタの体積はわずか1ナノリットル（0.001mm3）だが、供給電圧は最大1.6V。

ニューラル・スマートダスト

勿論、このアプリケーションはもう少し先の話だが、研究者たちは積極的に取り組んでいる。そしてまた、DARPAのElectrical Prescriptions（ElectRx）プログラムを通じて、軍がこれを先導している。

New “Neural Dust” sensor could be implanted in the body
https://www.youtube.com/watch?v=oO0zy30n_jQ

研究者たちは、個々の神経に埋め込むことができるほど小さく、体の奥深くにある神経や筋肉の電気的活動を検出することができ、電力結合と通信に超音波を使用する安全なミリメートル・スケールの無線装置を開発した。彼らはこれらの装置をニューラル・ダストと呼んでいる。

各神経ダストセンサーは、神経信号を測定する一対の電極、信号を増幅するカスタムトランジスタ、外部から発生させた超音波の機械的パワーを電力に変換し、記録された神経活動を伝達するという2つの目的を果たす圧電クリスタルという3つの主要部品だけで構成されている。

また、まだネットワーク化されてはいないが、研究者たちはすでに個々の細胞にコンピューター・チップを挿入することが可能であることを実証している。（陰謀論者たちへ：コメントは送らないでください！）。

Cell division of a HeLa cell with a sensor chip inside
https://www.youtube.com/watch?v=pOo26pc9vqw

現状と課題

研究者たちが取り組んできた主な課題は、小さなフットプリントでの十分な電力不足と、これらの高度にスケーリングされたデバイスへの電力システムの統合の難しさである。バッテリー技術の蓄電密度はムーアの法則のスケーリング傾向に従っていないため、IoTシステムは熱、振動、光、電波などの外部ソースからの電力変換に頼る必要がある。

しかし、ナノエレクトロニクスとパッケージング技術の進化に伴い、これらの問題の解決策を再考し、当初提案されていたものよりも強力な小型コンピューター・システムに向けて前進し始める今が、まさにその時かもしれない。

プロセッサー、メモリー、光電池など、さまざまなナノエレクトロニック・チップレットを工業規模のウェハーレベル・パッケージング・プロセスで統合し、太陽電池駆動のスマートダストを作ることができれば、高性能で超低コストの小型統合システムの大規模製造の可能性が開ける。

スマートダストの応用

スマートダストの応用範囲は膨大であるため、1つの記事で詳細な説明を提供することは不可能である。そこで、以下にいくつかの主要分野を列挙する。

・農業： 作物の栄養要求量、散水、施肥、害虫駆除を常に監視すること。この貴重な情報は、作物の量と質の向上に役立つ。また、pH、肥沃度、微生物の侵入など、植物の成長に不可欠な土壌の状態を記録することもできる。

・産業界： 必要不可欠な設備を継続的にスクリーニングし、メンテナンスに関するアクションを促します。機械の正確な状態、弱点、腐食を評価することで、システムの完全な故障を防ぐことができる。

・環境：健康と安全のための化学的・生物学的環境モニタリング（水、空気、土壌）。例えば、プラズモニック・スマート・ダストは、このアニメーションに示されているように、局所的な化学反応をプローブすることができる。

※原文をご覧下さい。

パラジウム表面における水素の解離と取り込みのアニメーション。スマートダスト（シリカシェルで分離された金ナノ粒子）は、散乱スペクトルのスペクトルシフトを通じて、局所的な化学環境の変化を報告する。(出典：スヴェン・ハイン、シュトゥットガルト大学第4物理学研究所）

・都市インフラ：建物、道路、橋、トンネル、上下水道管、電気・通信網の監視は、スマートシティの全体的なコンセプトの一部となるだろう。例えば、スマートダストはすでに建設中のコンクリートに埋め込まれている可能性がある。

・在庫管理： 製造工場から輸送施設（船舶からトラック）を経由して小売店の棚に並ぶ製品を追跡することで、厳密な在庫管理が可能になる。

・医療診断：上記のニューラル・スマート・ダストを参照。

・輸送分野： スマートダストは生鮮品を輸送する。生鮮品の輸送中は、温度、湿度、通気などの特定のパラメーターを継続的にモニターする必要がある。同様に、スマートダストは動物の健康状態を監視し、安全な輸送のために必要な温度、空気、湿度などの条件を制御するのに役立ちます。

・軍事用途： 遠隔地やアクセスしにくい場所での活動にアクセスするのに役立ちます。また、有毒ガスや有害物質の存在を判断し、必要な措置を講じるのにも役立つ。戦場でのセンサーネットワーク

・宇宙探査： 太陽系の惑星や衛星の天候、地震学的モニタリング。科学者たちはまた、キャニスターから放出され、レーザーによって制御される粒子の群れでできた開口部を持つ、まったく新しいタイプの宇宙望遠鏡を探求している。NASAのInnovative Advanced Concepts Programは、宇宙光学とスマートダスト（自律型ロボットシステム技術）の融合を試みる「軌道上の虹」プロジェクトの第2段階に資金を提供している。

スマートダストのリスクと懸念

スマートダストが広く採用されれば、さまざまなリスクが生じる。

・プライバシー：スマートダストの現実世界への影響に懸念を持つ人の多くは、プライバシーの問題を懸念している。スマートダストのデバイスは、肉眼では見えないほど小さくなるため、発見が極めて困難になる。センサーができることは何でも記録するようにプログラムすることができる（皮肉なことに、人々はまさにそれを達成するデバイスを自発的に携帯し始めている）。おそらく、誰がデータを収集し、それを使って何をしているのかはわからないだろう。スマートダストが悪人の手に渡った場合のプライバシーへの悪影響については、想像を膨らませてほしい。

・コントロール：何十億ものスマート・ダスト・デバイスが一帯に配備されれば、必要な場合にそれらを回収したり捕捉したりするのは難しいだろう。スマートダストがいかに小さいかを考えると、その存在に気づかなければ、検出するのは難しいだろう。悪意のある個人、企業、政府が危害を加えるために従事する可能性のあるスマート・ダストの量は、当局が必要に応じてコントロールすることを困難にするだろう。

・コスト：あらゆる新技術と同様、完全な実装に必要な衛星やその他の要素を含むスマート・ダスト・システムを実装するためのコストは高い。コストが下がるまでは、多くの人にとって手の届かない技術となるだろう。

・汚染：スマート・ダスト・モットは基本的に使い捨ての装置である。完全に生分解性でない限り、使用地域（土壌、大気、水）を汚染するのではないかという疑問が生じる。

・健康：スマートダスト粒子がナノスケールに収縮すると同時に、そのリスクプロファイルは一般的なナノ粒子と一致し、その吸入や摂取に関連する潜在的な健康リスクとなる。

・法的問題：スマート・ダスト・ネットワークによって作られる情報を保護するセキュリティの欠如は、プライバシーの懸念を生むだけでなく、ネットワークが第三者によって無許可でアクセスされ（すなわちハッキングされ）、その情報が違法な目的に使用される可能性がある。