多次元相分離により微細メッシュを形成した、内在的に伸縮する全ポリマー神経形態視覚適応トランジスタ

なぜ伸縮するスマートビジョンが重要か

腕に貼る軟らかい皮膚のようなパッチを想像してください。暗闇で「見る」ことができ、まぶしい対向車のヘッドライトに目より速く順応し、目に見えない光で秘密裏にメッセージを送ることもできます。本研究はまさにそれが可能な新しい柔軟電子デバイスを示します。私たちの目が変化する光に順応する仕組みを模倣し、その能動性をゴム状で伸縮する材料に組み込むことで、将来のウェアラブルカメラ、人工網膜、運転支援システムがより賢く安全になる道を指し示しています。

目のように振る舞う柔らかい材料

本研究の中核は、光に反応し、機能を失うことなく2倍に伸ばせる新しい軟質半導体膜です。研究チームは、電荷を供与する光感受性ポリマーと電荷を受け取る光感受性ポリマーの2種を、弾力のあるエラストマーと組み合わせています。これらの成分は均一に混ざり合わないため、自発的に細かな三次元の微細メッシュに相分離します：ゴムに富む島状領域が、絡み合う光感受性繊維のネットワークに取り囲まれる構造です。この特別な構造により、膜は皮膚のように曲げたりねじったり伸ばしたりできる一方で、可視光から近赤外までの幅広い波長の光を効率よく電気信号に変換します。

適応を可能にする隠れたトラップ

自然界の視覚では、急激な閃光の後に応答が急上昇してから快適なレベルへ戻る「順応」により過負荷を避けます。微細メッシュ膜は同様の振る舞いを示すよう設計されています。ゴム状の島とポリマー繊維の境界は、電荷を制御して捕える「トラップ」として働きます。光が当たると多くの電荷が流れて強い信号が出ますが、照明が続くとより多くの電荷がトラップに捕らわれ、電流は自動的に低い定常値まで落ち着きます。メッシュの穴の大きさや数を調整することで、研究者は生体の反射をダイヤルするように、デバイスの適応の速さや強さを制御できます。

伸びて、見て、考えるトランジスタ

この膜を基に、チームは全有機の「ニューロモルフィック」トランジスタを構築しました。これらは光を検出するだけでなく、神経細胞や脳の接続の特徴を模倣します。これらのトランジスタは明暗応答のコントラストが非常に高く、さまざまな色の光で動作し、重要なことに、二方向に最大100％伸ばしても性能を維持します。適応応答は非常に速く、新しいレベルに落ち着くまで約0.4秒で、類似デバイスより速く、人間の暗順応よりはるかに迅速です。同じ条件下で非適応型検出器と比べておよそ90％近くのエネルギーを節約します。適応を引き起こす同じ電荷トラップは、信号を抑制する脳内の抑制性シナプスを模倣することも可能にし、この振る舞いを示す標準的指標で非常に低い値を記録しています。

秘密のメッセージからより安全な運転へ

適応応答は時間とともに変化するため、各光パルスは単なるオン・オフ信号以上の情報を運びます。強度と減衰時間のパターンが文字を表すモールス信号のような光学「コードブック」を設計するために、著者らはこの情報の豊かさを利用しています。読み取り条件をわずかに変えるだけで、同じ入力信号がまったく異なる単語に復号され、肉眼では気づきにくい近赤外光を用いた安全な通信のための意図的に誤解を招くメッセージを可能にします。研究者たちはまた、これらのデバイスを画素アレイに組み立て、厳しい照明下で目が順応する様子を模倣しました。霧やまぶしさ、機械的ひずみを想定した運転支援に近い試験では、適応画素は一時的に強い警告信号を点滅させた後すばやく減衰し、システムが視界を奪われずに周囲を継続して検出できることを示しました。

日常技術にとっての意味

専門外の読者にとっての要点は、研究チームが剛性の高いカメラチップというよりも生体組織のように振る舞う、軟らかく伸縮する光検出材料を作り上げたことです。大きく引き伸ばしたり曲げたり強い光を当てたりしても迅速かつ効率的に応答し、追加の回路を必要とせずに自律的に感度を調整できます。これにより、快適に皮膚に装着できる視覚補助具、柔らかい外装を通して「見る」より賢いロボット、そしてハードウェア上で迅速かつ低消費電力で判断を下す自動車のセンサーへの道が開けます。要するに、本研究は形だけでなく「光をどう捉えるか」という点でも柔軟な電子の眼に向けた実用的な道筋を示しています。

引用: Wang, C., Qin, M., Sun, J. et al. Intrinsically stretchable all-polymer neuromorphic visual adaptive transistors based on multidimensional-phase-separation-induced micromesh. Nat Commun 17, 2806 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69534-6

キーワード: 伸縮性エレクトロニクス, ニューロモルフィックビジョン, 適応型フォトトランジスタ, ウェアラブルセンサー, 光学暗号