【ニュースリリース】生体の視覚を模倣した電源不要な新しい撮像技術を開発
2023年09月26日
ポイント
・カメラとは異なる、外部電源不要な新しい撮像技術
・物体の輪郭や動きなど、特定の要素を抽出して可視化
・生体の視覚機能を基にした撮像技術
・インクジェット技術で製造可能
・SDGs時代に合致した低環境負荷な撮像技術
成果の概要
本学の岡田佳子教授（基盤理工学専攻）が参加する長谷川裕之准教授、坂本海里氏、正村和也氏、佐野由佳氏（島根大学教育学部・大学院自然科学研究科）、笠井克幸主任研究員、田中秀吉研究マネージャー、大友明上席研究員（国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）未来ICT研究所）の研究グループ（各研究メンバーの所属等は研究実施当時のもの）が、生体の「視覚機能」を模倣した撮像技術（視覚センサー）を開発しました。このセンサーでは、生体由来の材料であり高度好塩菌の細胞膜から抽出して得られる光受容膜タンパク質「バクテリオロドプシン(bR)」を用いているところも特徴です。
背景
島根大学教育学部とNICT未来ICT研究所、電気通信大学大学院情報理工学研究科の３者は、共同研究により、バイオ材料を用いた、視覚センサーなどの視覚情報デバイス（素子）の構築に関する研究開発を行ってきましたが、これまで生体材料でセンサーのようなデバイスを作る場合には大きな問題がありました。生体材料は一般に熱や薬品、乾燥などに弱いため、例えば半導体の製造技術には適合しません。視覚センサーの作製にはさまざまな形状を造り出す必要があるため、生体材料に適した温和な条件で自在にパターニングする技術が必要でした。
今回の成果
研究チームは、まずインクジェット技術によって、温和な条件でbRを自在にパターニングする方法を開発し、問題を解決しました。次に、この手法を用いて、視覚機能を模倣した２種の視覚センサー、「DOGフィルタ」と「Gaborフィルタ（図１）」を作製しました。これらは通常のカメラと異なり、「DOGフィルタ」は物体の輪郭を認識する機能が、「Gaborフィルタ」は物体の動きや方向を認識する機能が備わっており、一般のカメラとは「見える画像」が異なります。 Gaborフィルタでは、試行実験として、「生」の文字を読み取らせたところ（図２）、縦の線分のみを認識した画像が得られました。この特定方向の線分のみを抽出する特徴を活かして、生産現場での不良品の検出などへの応用が期待されます。
今後の展望
今回の視覚センサーは外部電源が不要である点も特徴です。省エネルギーな印刷技術で作製でき、培養で生産できる生体材料を利用した点も相まって、持続可能な開発目標（SDGs）にも合致した、低環境負荷なセンサー技術として、自動運転車やドローンのカメラに代わるセンサー技術として今後の発展が期待されています。
図１．視覚センサーの１つ、Gaborフィルタの模式図（a）と実際の投影図（b）。
図２．開発した撮像技術を用いたパターン認識実験。（a）リジナルの文字画像。（b）字画像を水平に４つに分割。（c）文字画像の垂直に４つに分割。（d）文字投影の概略図：視覚センサー上に分割したものをそれぞれ水平方向に動かし投影。（e）センサーが見た画像（垂直に分割したもの）。縦の線分のみが見える。（f）センサーが見た画像（水平に分割したもの。元の向きに復元）。（g）（e）と（f）を組み合わせると元の文字に近い画像が得られる。
（論文情報）
論文タイトル：Biomaterial-based Biomimetic Visual Sensors: Inkjet Patterning of Bacteriorhodopsin
著者：Hiroyuki Hasegawa（責任著者）, Kairi Sakamoto, Kazuya Shomura, Yuka Sano, Katsuyuki Kasai, Shukichi Tanaka, Yoshiko Okada-Shudo, & Akira Otomo
掲載誌：ACS Applied Materials & Interfaces（Q1論文誌，Journal Impact Factor 2022: 9.5）
DOI番号：https://doi.org/10.1021/acsami.3c07540
（外部資金情報）
本研究は日本学術振興会科学研究費補助金26390051、17K05037、17H05170、K06037、18H03258の助成を受けたものです。
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