小さな構造から、新しい計測技術を。

私たちが目指すこと

表面に刻んだわずかな凹凸が、光の波長や偏光、周囲の物質や環境に応じて異なる応答を示す。その性質を巧みに設計すれば、目には見えない情報を、電流や共鳴周波数などの測定可能な信号に変えられます。私たちは、こうした「情報を読み取る表面」を自分たちの手で発想し、製作・実証しています。

さらにMEMSによって角度や構造の位置を変え、異なる応答を順次取得することで、一つの素子からより多くの情報を引き出すこともできます。複雑な計測装置の働きを小さなデバイスに組み込み、ロボット・IoT、医療、生命科学、農業など、これまで測定が難しかった場所へ計測を広げることを目指します。

ものづくりの基盤：MEMS

私たちのものづくりの基盤は、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）です。半導体の微細加工技術を使い、シリコンなどの表面に、目には見えないほど小さな溝や梁、可動構造を精密に作り込みます。表面の形状や配置を工夫することで、光や電波との相互作用を設計し、新しい計測機能を生み出せることが大きな魅力です。

MEMSは、すでに私たちの身近な製品で広く実用化されています。例えば、スマートフォンの動きを検知する加速度センサやジャイロ、音声を拾う小型マイクロフォン、自動車の衝突検知や姿勢制御に用いられるセンサ、通信機器の高周波フィルタなどです。小さな構造を精密に作り込めるMEMS技術は、現代の電子機器を支える重要な基盤技術になっています。

MEMSの特徴は、微細構造を作ることだけではありません。構造の角度や間隙、位置、あるいは電気的な動作条件を変えることで、一つの素子から異なる応答を取り出せます。この応答の変化を情報の読み出しに利用することも、私たちの研究の特色です。こうしたデバイスは、大学のクリーンルームで自ら設計・製作・評価しています。

光と電波を操る：メタマテリアルとプラズモニクス

メタマテリアルは、人工的な微細構造を組み合わせることで、光や電波に対する応答を設計する技術です。一方、プラズモニクスは、金属中の電子と光が結びつく共鳴現象などを利用する技術です。いずれも、材料の性質だけでなく、構造の形や配置によって電磁波との相互作用を変えられることが大きな特徴です。

菅研究室では、これらの物理現象を利用して、光の波長や偏光、周囲の物質の違いによって異なる信号が得られる微細構造を設計しています。さらに、MEMSによって構造の角度や位置を変えたり、入射条件を調整したりすることで応答を切り替え、一つの素子から多様な情報を読み出す、新しいセンシングの仕組みを研究しています。

新しい計測原理をつくり、その可能性を広げる

菅研究室では、赤外光を電気信号として捉える光検出器、光の波長や偏光を小さな素子で読み取る分光・偏光センサ、液体の性質を調べるSPR化学センサ、土壌の水分などを電波の共鳴から捉えるメタマテリアルセンサなどを研究しています。ロボット・IoT、医療・生命科学、農業など、さまざまな分野で役立つ新しい計測技術の実現を目指しています。

研究の出発点は、「この微細構造と物理現象を組み合わせれば、新しい方法で情報を読み取れるのではないか」という発想です。自分たちで構造を考え、設計・製作し、実験で確かめる。さらに、共鳴・散乱・光電変換や信号の再構成を物理的・数理的に理解し、何が性能を決めるのか、どこに限界があるのかを追究します。こうして得られた知見を、次の新しいデバイスの発想と設計につなげていきます。