MITの化学者たちは、スマートフォンで読み取れる簡単なセンサーを使い、有害ガスや環境汚染物質をワイヤレスで検知する新しい方法を考案した。
この安価なセンサーは広く設置できる可能性があり、公共の場所の監視や倉庫内の食品の傷みの検知が容易になる。研究者らはこのシステムを用いて、ガス状のアンモニア、過酸化水素、シクロヘキサノンなどを検知できることを実証した。
「このセンサーの素晴らしい点は、本当に安価なことです。設置すれば、そのまま置いておけます。あとは来て読み取るだけです。配線も電源も必要ありません」と、MITのジョン・D・マッカーサー化学教授ティモシー・スウェイジャーは言う。「このような技術で何をしたいか、想像力を大いに働かせることができます。」
スウェイジャーは、12月8日の週に『米国科学アカデミー紀要』に掲載される新しいセンサーについての論文の責任著者である。化学専攻の大学院生ジョセフ・アッツァレッリが筆頭著者で、その他の著者は博士研究員のキャサリン・ミリカと、元MIT博士研究員のイェンス・ラヴンスベックである。
多用途のガス検知
スウェイジャーの研究室は数年前から、ケミレジスターと呼ばれる装置を基にしたガス検知センサーを開発している。ケミレジスターは、特定の化学物質にさらされると抵抗値が変化するように改変した単純な電気回路で構成される。この抵抗値の変化を測定することで、対象のガスが存在するかどうかが分かる。
市販のケミレジスターとは異なり、スウェイジャーの研究室が開発したセンサーはほとんどエネルギーを必要とせず、周囲温度で機能する。「そのため、さまざまな環境や装置にセンサーを設置できます」とスウェイジャーは言う。
新しいセンサーは、改変した近距離無線通信（NFC）タグで作られている。読み取り装置から必要なわずかな電力を受け取るこれらのタグは、ワイヤレスで読み取り可能なバーコードとして機能する。主に、自動車や医薬品などの製品が製造工場や倉庫などのサプライチェーンを移動する際の追跡に使われている。
NFCタグは、近距離無線通信機能を備えたスマートフォンであればどれでも読み取れる。この機能は新しいモデルの多くに搭載されている。スマートフォンは無線周波数（13.56メガヘルツ）の短い磁場パルスを送信し、タグ上の回路に電流を誘導する。回路はその情報をスマートフォンに伝える。
MITチームはタグを目的に合わせて改変するため、まず電子回路に穴を開けて回路を切断した。次に、特定のガスを検知するよう調整したカーボンナノチューブ製の接続材で回路をつなぎ直した。この場合、研究者らは、通常の鉛筆の芯を圧縮したカーボンナノチューブ粉末に置き換えた機械式鉛筆で、タグの上にカーボンナノチューブを「描く」ことで加えた。この鉛筆は 2012年に初めて開発されたものである。チームは、改変したタグをCARD（化学作動型共振デバイス）と呼んでいる。
カーボンナノチューブが対象ガスと結合すると、電気伝導性が変わり、電力をデバイスに伝送できる無線周波数がずれる。スマートフォンがCARDに信号を送ると、CARDはスマートフォンが送信する無線周波数で十分な電力を受け取れる場合にのみ応答する。そのためスマートフォンは、回路に変化が生じてガスが存在するかどうかを判定できる。
現行版のCARDはそれぞれ1種類のガスしか検知できないが、スマートフォンで複数のCARDを読み取れば、100万分の1単位の濃度まで、さまざまなガスの情報を得られる。現在の技術では読み取りにスマートフォンをCARDから5センチ以内に近づける必要があるが、アッツァレッリは現在、通信範囲を広げるためBluetooth技術に取り組んでいる。
新しいセンサーが化学物質のデータをスマートフォンにワイヤレス送信する様子をご覧ください。
動画：メラニー・ゴニック／MIT
広範な設置
研究者らはこのセンシング技術の特許を申請し、現在、応用の可能性を検討している。これらのデバイスは非常に安価で、スマートフォンで読み取れるため、屋内で爆発物やその他の有害ガスを検知したり、屋外で環境汚染物質を監視したりと、ほぼどこにでも設置できる。
個々のスマートフォンが集めたデータを無線ネットワークにアップロードし、他のスマートフォンのセンサーデータと組み合わせれば、非常に広い地域をカバーできるとスウェイジャーは言う。
研究者らは、CARDを「スマート包装」に組み込み、食品の傷みや製品の汚染の可能性を人々が検知できるようにすることも検討している。スウェイジャーの研究室は以前、果物の熟度を示すガスであるエチレンを検知するセンサーを 開発している 。
「食品廃棄の回避は今、とても注目されているテーマです。しかし、原材料の品質や調理済み食品の状態を示す可能性のあるアンモニアなどの代謝物を検知するには、安価で使いやすく、信頼できる化学センサーが必要です」と、研究チームには加わっていないオーストリア技術研究所のマネージングディレクター、ヴォルフガング・クノールは言う。「この論文で示された概念は、食品品質管理における長年のニーズへの解決策につながる可能性があります。」
CARDは線量計に組み込み、製造工場で働く人がどれほどガスにさらされているかを測定して、労働者の安全を監視することもできる。「低コストで使い捨て可能で、スマートフォンと簡単に連携できるので、バッジのように身に着けられるデバイスになると考えています。朝の出勤時に読み取り、夜の退勤時にもう一度読み取る、といった使い方ができます」とアッツァレッリは言う。
この研究は、MIT兵士ナノテクノロジー研究所を通じた米陸軍研究所および米陸軍研究局、MITデシュパンデ技術革新センター、ならびに米国国立がん研究所の資金提供を受けた。
本記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。
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著者：アン・トラフトンはMIT Newsのゲスト寄稿者。
画像：携帯電話を掲げる人々。ロイター