全球最小的無線器件，用於生物體內的神經光刺激

日本奈良先端科學技術大學院大學先端科學技術研究科物質創成科學領域的德田崇副教授等人組成的研發小組，開發出了全球最小的無線器件，可用於在生物體內對神經進行光刺激。

＜研究內容＞

德田副教授的研發小組認為，要想使該器件實現1mm級的超小型化，採用基於光伏電池的光電力傳輸方式更合理，而不是電磁波方式。因為光伏電池具有即使面積減小，電壓也不會改變，只有電流會變小的特性（圖1b）。藍光和綠光會被生物體強烈吸收，而波長更長的紅光和近紅外光（波長約為0.8～1.1μｍ）如果保持數mm～數cm左右的距離，就能射入生物體內，所以可用來為植入型光刺激器件傳輸能源。本次研究中，研究人員認為，即使是非常小的光伏電池，如果其儲存好足夠的能源，就能驅動用於進行光刺激的藍色發光二極體。

具體方法如下。首先在利用普通集成電路技術Si CMOS技術製造的1.25ｍｍ見方、0.15ｍｍ厚的晶元上，集成17個具備發電能力的超小型片上光伏電池以及用於電壓監控和LED控制的電路（圖2）。然後對採用通用技術製造的CMOS晶元實施自主開發的加工處理追加工藝，然後組合高性能的電容器晶元和藍色LED晶元，由此實現圖3所示的支持生物體植入的無線型光刺激器件。向圖2中的器件照射紅外光，經過0.1～數秒左右的充電時間，在充分存儲能源後可以獲得藍色光（圖4）。

＜參考圖＞

圖1：（a）電磁波電力傳輸（天線線圈）和（b）光電力傳輸（光伏電池）在超小型化方面的差異

利用電磁波的電力傳輸通過天線線圈接收能源，如果推進超小型化，「電壓」和「電流」都會變小。而利用光伏電池的話，「電壓」保持不變，只有「電流」會變小。在體積削減至非常小的情況下，光伏電池方式無需補償失去的電壓（加強電波或追加電路），能減少電力浪費，通過簡單的結構就能發出藍光。

圖2：片上光伏電池集成型CMOS光受電與LED驅動晶元

在1.25ｍｍ×1.25ｍｍ的Si CMOS集成電路上配備了17個片上光伏電池和監控電壓、控制LED驅動的控制電路。利用該晶元將紅外光轉換成電能，將電力存儲在外部電容器中。存儲足夠的電力後向LED供電，獲得藍光。

集成圖2的晶元和1個電容器、1個藍色LED，實現了可以植入生物體內的光刺激器件。體積約為1ｍｍ3，重量為2.3mg，為目前全球最小的生物體植入型無線光刺激器件。圖3（b）是放在1美分硬幣（厚度為1.55ｍｍ）的側邊拍攝的照片。

圖4：無線型光刺激器件工作時的樣子

圖3中的器件工作時的樣子。器件被放置於載玻片中央，用載玻片下方的紅外線手電筒發出的紅外光進行照射。紅外線被光伏電池轉換為電力，每次存夠所需的能源就自動驅動藍色LED進行光刺激。在發布在線論文的雜誌網站上有關於該光刺激器件工作狀態的視頻。

文 客觀日本編輯部

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