同軸レーザーを用いたマルチジェット電界紡糸のリアルタイム監視と閉ループ制御システム

微細繊維をより確実に作る

空気フィルターやマスクから水処理やウェアラブル電子機器に至るまで、多くの先端技術はナノファイバーと呼ばれる極薄の繊維シートに依存しています。これらの繊維はしばしば電界紡糸という手法で作られ、液体を電気の力で髪の毛のような細い糸に引き伸ばします。強力な手法ではありますが、不安定になりやすく、小さな乱れが滑らかな工程を乱して品質ムラを招くことがあります。本研究はマルチノズル電界紡糸プロセスをリアルタイムで監視し自動的に補正する方法を示し、高品質なナノファイバー材料のより信頼性の高いスケールアップ生産への道を開きます。

電気のジェットが織る網の仕組み

電界紡糸では、溶媒に溶けた高分子を含む液体を細い針を通して金属板に向けて押し出します。強い電場が各針先の液滴を尖った形に引き伸ばし、やがてジェットになり、飛翔しながら細く乾燥して固体の繊維となり収集板に落ちます。生産性を上げるために、メーカーは複数の針を同時に用いて複数のジェットを発生させ、ナノファイバーシートを速く積み上げることを好みます。しかし各ジェットはわずかに挙動が異なり、突風や振動、供給流量の微小な変化などで一部のジェットは滴下したり消えたり、不安定に振る舞ったりします。繊維は非常に細く、特に多数の針を使うとジェットはかすかにしか見えないため、すべてのジェットを同時に監視して欠陥が出る前に調整することは困難です。

見えないジェットに光を当てる

研究者たちは視認性の問題に対処するため、ポリマー溶液と狭いレーザービームの両方を送る三つの同軸ニードルを備えたマルチジェット電界紡糸装置を構築しました。レーザーは内側の針内を通り、出現するジェットに結合して、紡糸自体を妨げることなく液滴とジェット領域をカメラ上で明るく発光させます。高速度産業用カメラがジェットが形成される領域を撮影し、画像はコンピュータに送られ、高電圧電源が電界を駆動します。この構成により、各針先の液滴の形（いわゆるコーン）や各ジェットの見える直線長さといった、良好な繊維が生成されているかを示す重要な指標をシステムが観察できます。

ジェットの挙動を読むようにコンピュータを教える

生の画像を有用な情報に変えるため、チームはマルチジェットに特化した画像処理アルゴリズムを設計しました。まず各フレームを整え簡素化し、発光するジェットが背景からはっきり浮かぶように白黒に変換します。次に自動で各ジェット周辺の領域を検出してボックス化し、手動選択の必要をなくします。各ボックス内でアルゴリズムは液滴状のコーンとその下の細いジェットを分離し、雑音を除去して広いコーンと狭いジェットを区別するためにデジタルフィルタを用います。その後、各ジェットの中心線を追跡して見える長さを測り、コーン形状を三角形、円、楕円などの単純な幾何学形に当てはめて面積を計算します。これらすべてがフレームあたり40ミリ秒未満で行われ、複数ジェットの常時変化する挙動をリアルタイムで追跡するのに十分高速です。

観測からリアルタイム補正へ

ジェットを計測することは半分に過ぎず、本当の進歩はそれらの測定値を使ってプロセスを自動的に補正する点にあります。実験に基づき、著者らは四つの基本的なジェット状態を定義しました：ジェットがないぶら下がった液滴、非常に細く不安定なジェット、均一な繊維を生む正常で安定したジェット、そして針内に引き戻される後退ジェットです。コーン面積とジェット長さを組み合わせることで、コンピュータは各ジェットをこれらの状態の一つに分類できます。次に単純なルールセットに従い、ジェットが短すぎる、大きすぎる、あるいは後退した場合に、システムはすべてのジェットが正常状態に戻るまで印加電圧を小刻みに上げ下げします。電圧変化は液体にほぼ瞬時に作用するため、このフィードバックループは液体供給のような遅い調整に頼らずに素早く乱れに対応できます。

より鋭い制御、より良いナノファイバー

研究者らがこの閉ループ制御システムを用いた場合と用いない場合で作製したナノファイバーメンブレンを比較すると、違いは明白でした。自動補正がないと液滴が周期的にコレクタに落下し、繊維を切断・寄せ集めて線径のばらつきを大きくしました。リアルタイム監視と電圧調整により、ジェットは安定状態を保ち、滴下は大幅に抑制され、その結果できたナノファイバーはより均一な厚さになりました。専門外の読者への要点は、スマートな画像化、高速アルゴリズム、シンプルなフィードバック規則を組み合わせることで、繊細で制御の難しいラボ工程がより堅牢な製造手段に変わり、将来のフィルターや医療材料、エネルギーデバイスをより一貫して大規模生産しやすくすることができる、ということです。

引用: Jiang, J., Sun, Z., Chen, J. et al. Real-time monitoring and closed-loop control system for multi-jet electrospinning with coaxial laser. Sci Rep 16, 8225 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39655-5

キーワード: 電界紡糸, ナノファイバーメンブレン, プロセス監視, 閉ループ制御, 画像ベースセンシング