Moran Bercovici 教授と Valeri Frumkin 博士は、光学レンズを製造する安価な技術を開発し、眼鏡が入手できない多くの発展途上国向けに眼鏡を製造することが可能になりました。現在、NASA は、宇宙望遠鏡の製造に使用できると述べています。
科学は通常、小さなステップで進歩します。新しい実験ごとに小さな情報が追加されます。科学者の頭に浮かぶ単純なアイデアが、テクノロジーを使わずに大きなブレークスルーにつながることはまれです。しかし、これは、光学レンズを製造する新しい方法を開発した 2 人のイスラエル人エンジニアに起こったことです。
このシステムはシンプルで安価で正確であり、世界人口の最大 3 分の 1 に大きな影響を与える可能性があります。また、宇宙研究の様相を変えるかもしれません。設計に必要なのは、ホワイト ボード、マーカー、消しゴム、そして少しの運だけです。
ハイファにある Technion-Israel Institute of Technology の機械工学科の Moran Bercovici 教授と Valeri Frumkin 博士は、光学ではなく流体力学を専門としています。しかし、1年半前、上海で開催されたWorld Laureate Forumで、Berkovicはたまたまイスラエルの経済学者であるDavid Zibermanと一緒に座っていました。
ジルバーマン氏はウルフ賞受賞者で、現在はカリフォルニア大学バークレー校で、発展途上国での研究について語っています。Bercovici は彼の流体実験について説明しました。それからジベルマンは簡単な質問をしました：「これを使ってメガネを作ることができますか？」
「開発途上国について考えるとき、通常はマラリア、戦争、飢餓を思い浮かべます」とバーコビッチは言いました。「しかし、Ziberman は、私がまったく知らないことを言いました。世界の 25 億人がメガネを必要としているのに、手に入れることができません。これは驚くべき数字です。」
Bercovici 氏は帰国し、世界経済フォーラムのレポートがこの数字を裏付けていることを発見しました。シンプルなメガネを作るのに数ドルしかかかりませんが、安価なメガネは世界のほとんどの地域で製造も販売もされていません.
その影響は大きく、学校で黒板が見えなくなった子どもたちから、視力が低下して職を失う大人まで。人々の生活の質を損なうことに加えて、世界経済のコストは年間 3 兆ドルにも上ると推定されています。
会話の後、ベルコビッチは夜も眠れませんでした。テクニオンに到着したとき、彼はこの問題について当時彼の研究室のポスドク研究員だったフラムキンと話し合った。
「私たちはホワイトボードに絵を描いてそれを見ました」と彼は回想します。「私たちの流体制御技術ではこの形状を作ることができないことを本能的に知っており、その理由を知りたいのです。」
球形はレンズを構成する光学の基本です。理論的には、Bercovici と Frumkin は、ポリマー (固化した液体) から丸いドームを作成してレンズを作成できることを知っていました。しかし、液体は小さな体積でしか球形を保つことができません。それらが大きくなると、重力によって水たまりに押しつぶされます。
「だから私たちがしなければならないことは、重力を取り除くことです」とベルコビッチは説明しました。そして、これはまさに彼とフラムキンがしたことです。ホワイトボードを調べた後、Frumkin は非常に単純なアイデアを思いつきましたが、レンズを液体チャンバーに配置すると、重力の影響を排除できるため、これまで誰も考えなかった理由は明らかではありません。チャンバー内の液体 (浮力のある液体と呼ばれます) が、レンズの材料であるポリマーと同じ密度であることを確認するだけで、ポリマーが浮きます。
もう 1 つの重要なことは、油と水のように互いに混ざり合わない 2 つの不混和性流体を使用することです。「ほとんどのポリマーは油に似ているため、唯一の浮力のある液体は水です」と Bercovici 氏は述べています。
しかし、水はポリマーより密度が低いため、ポリマーが浮くように密度を少し高くする必要があります。この目的のために、研究者は、塩、砂糖、またはグリセリンなど、それほどエキゾチックではない材料も使用しました。Bercovici 氏によると、このプロセスの最終コンポーネントは、ポリマーを注入してその形状を制御できる剛性フレームです。
ポリマーが最終的な形になると、紫外線を照射して硬化し、固体レンズになります。フレームを作るために、研究者はリングにカットされた単純な下水パイプ、または底からカットされたペトリ皿を使用しました.「子供なら誰でも家で作ることができます。私の娘と私は家でいくつか作りました」とベルコビッチは言いました。「何年にもわたって、私たちは実験室で多くのことを行ってきましたが、その中には非常に複雑なものもありましたが、これが私たちが行った中で最も単純で簡単なことであることは間違いありません.おそらく最も重要です。」
フラムキンは、解決策を考えたその日に最初のショットを作成しました。「彼は WhatsApp で写真を送ってくれました」と Berkovic 氏は回想します。「振り返ってみると、これは非常に小さくて醜いレンズでしたが、私たちはとても満足していました。」Frumkin はこの新しい発明の研究を続けました。「方程式は、重力を取り除くと、フレームが 1 センチメートルであろうと 1 キロメートルであろうと関係ないことを示しています。材料の量にもよりますが、常に同じ形になります。」
二人の研究者は、第二世代の隠し味であるモップバケツの実験を続け、それを使って望遠鏡に適した直径20cmのレンズを作りました。レンズのコストは直径に応じて指数関数的に増加しますが、この新しい方法では、サイズに関係なく、必要なのは安価なポリマー、水、塩 (またはグリセリン)、およびリング型だけです。
成分リストは、300年間ほとんど変わっていない伝統的なレンズ製造方法の大きな変化を示しています.従来のプロセスの初期段階では、ガラスまたはプラスチックのプレートが機械的に研磨されます。例えば、眼鏡レンズを製造する場合、約80%の材料が廃棄されます。Bercovici と Frumkin によって考案された方法を使用して、固体材料を粉砕する代わりに、液体をフレームに注入することで、完全に無駄のないプロセスでレンズを製造できます。この方法も、流体の表面張力により非常に滑らかな表面を確保できるため、研磨を必要としません。
Haaretz は Technion の研究室を訪れ、そこで博士課程の学生 Mor Elgarisi がプロセスのデモを行いました。彼はポリマーを小さな液室のリングに注入し、UV ランプで照射し、2 分後に私に手術用手袋を渡してくれました。私は慎重に手を水に浸し、レンズを引き抜いた。「それだけです、処理は終わりました」とバーコビッチは叫んだ。
レンズは完全に滑らかな手触りです。これは単なる主観的な感覚ではなく、ポリマー製法で作られたレンズの表面粗さは、研磨しなくても1ナノメートル（10億分の1メートル）以下であるとベルコヴィッチ氏は述べています。「自然の力は、それ自体で並外れた性質を生み出し、それらは自由です」と彼は言いました。対照的に、光学ガラスは 100 ナノメートルまで研磨されますが、NASA の旗艦ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡のミラーは 20 ナノメートルまで研磨されます。
しかし、このエレガントな方法が世界中の何十億もの人々の救世主になると誰もが信じているわけではありません.テルアビブ大学電気工学部の Ady Arie 教授は、Bercovici と Frumkin の方法には、液体ポリマーを注入する円形の金型、ポリマー自体、および紫外線ランプが必要であると指摘しました。
「これらはインドの村では利用できません」と彼は指摘しました。SPO Precision Optics の創設者で R&D 部門のバイス プレジデントである Niv Adut と、同社のチーフ サイエンティストである Doron Sturlesi 博士 (どちらも Bercovici の仕事に精通している) が提起したもう 1 つの問題は、研削プロセスをプラスチック鋳造に置き換えると、レンズをレンズに適合させることが難しくなるということです。ニーズ。その人々。
ベルコビッチは慌てませんでした。「批判は科学の基本的な部分であり、過去1年間の私たちの急速な発展は、主に専門家が私たちを窮地に追いやったためです」と彼は言いました.遠隔地での製造の実現可能性について、彼は次のように付け加えました。工場、機械、技術者が必要で、必要なのは最小限のインフラストラクチャだけです。」
Bercovici は、彼の実験室で 2 つの紫外線ランプを見せてくれました。それらを持っていない場合は、いつでも Sunshine を使用できます」と彼は説明しました。ポリマーはどうですか？「250 ml のボトルは、Amazon で 16 ドルで販売されています。平均的なレンズには 5 ～ 10 ml が必要なので、ポリマーのコストも実際の要因ではありません。」
彼は、批評家が主張するように、彼の方法はレンズ番号ごとに固有の金型を使用する必要がないことを強調しました。レンズ番号ごとに単純な金型が適している、と彼は説明しました。
Bercovici 氏によると、プロセスの唯一の費用がかかる部分は、必要なレンズの数に応じて正確に行わなければならないポリマー注入の自動化です。
「私たちの夢は、資源が最も少ない国に影響を与えることです」とBercoviciは言いました。安価な眼鏡を貧しい村に持ち込むことはできますが、これはまだ完了していませんが、彼の計画ははるかに大規模です。「あの有名なことわざのように、魚をあげるのではなく、魚の釣り方を教えたい。このようにして、人々は自分の眼鏡を作ることができるようになります」と彼は言いました.「成功するか？時間だけが答えを出します。」
Bercovici と Frumkin は、約 6 か月前に、ケンブリッジ大学が発行した流体力学アプリケーションのジャーナルである Flow の初版の記事で、このプロセスについて説明しました。しかし、チームは単純な光学レンズにとどまるつもりはありません。数週間前に Optica 誌に掲載された別の論文では、自由形状光学の分野で複雑な光学部品を製造する新しい方法が説明されています。これらの光学部品は、凸面でも凹面でもなく、トポグラフィー面に成形され、さまざまな領域の表面に光が照射されて、目的の効果が得られます。これらのコンポーネントは、多焦点メガネ、パイロット ヘルメット、高度なプロジェクター システム、仮想および拡張現実システムなどに見られます。
持続可能な方法を使用して自由形状のコンポーネントを製造することは、表面領域を研削および研磨するのが難しいため、複雑で費用がかかります。したがって、これらのコンポーネントは現在、用途が限られています。「そのような表面の可能な用途に関する学術出版物はありますが、これはまだ実用化には反映されていません」とBercovici氏は説明しました。この新しい論文で、Elgarisi が率いる研究室チームは、フレームの形状を制御することによって、ポリマー液体が注入されたときに作成される表面形状を制御する方法を示しました。フレームは3Dプリンターで作成できます。「モップバケツを使うことはもうありませんが、それでも非常にシンプルです」と Bercovici 氏は言います。
研究所の研究技師である Omer Luria は、この新しい技術により、独特の地形を持つ非常に滑らかなレンズを迅速に製造できると指摘しました。「複雑な光学部品のコストと生産時間を大幅に削減できることを願っています」と彼は言いました。
Arie 教授は Optica の編集者の 1 人ですが、記事のレビューには参加していません。「これはとても良い仕事です」とアリは研究について語った。「非球面の光学面を作成するために、現在の方法では金型または 3D 印刷を使用していますが、どちらの方法でも、妥当な時間枠内で十分に滑らかで大きな面を作成することは困難です。」Arie は、この新しい方法が自由を作成するのに役立つと考えています。正式なコンポーネントのプロトタイプ。「大量の部品を工業的に生産するには、金型を準備するのが最善ですが、新しいアイデアをすばやくテストするには、これが興味深くエレガントな方法です」と彼は言いました。
SPO は、自由曲面の分野におけるイスラエルの大手企業の 1 つです。Adut と Sturlesi によると、新しい方法には長所と短所があります。彼らは、極端な温度では耐久性がなく、色範囲全体で十分な品質を達成する能力が限られているため、プラスチックの使用は可能性を制限すると言います.利点については、すべての携帯電話で使用されている複雑なプラスチック レンズの製造コストを大幅に削減できる可能性があることを指摘しました。
Adut 氏と Sturlesi 氏は、従来の製造方法では、プラスチック レンズの直径に制限があると付け加えました。これは、レンズが大きくなるほど精度が低下するためです。彼らは、Bercovici の方法によれば、液体でレンズを製造することで歪みを防ぐことができ、球面レンズまたは自由曲面レンズの分野で非常に強力な光学部品を作成できると述べました。
Technion チームの最も予想外のプロジェクトは、大型レンズの製造を選択したことでした。ここで、すべては偶然の会話と素朴な質問から始まりました。「すべては人です」とバーコビッチは言いました。彼がバーコビッチに尋ねたとき、彼はNASAの研究科学者であるエドワード・バラバン博士に、彼はスタンフォード大学で彼のプロジェクトを知っていて、彼はスタンフォード大学で彼を知っていたと話していました。 ？」
「それはクレイジーなアイデアのように聞こえましたが、私の心に深く刻み込まれました。」実験室でのテストが成功裏に完了した後、イスラエルの研究者は、この方法が宇宙でも同じように機能することに気付きました。結局のところ、浮力のある液体を必要とせずに微小重力状態を達成できます。「私はエドワードに電話して、彼に言った、うまくいくよ！」
宇宙望遠鏡は、大気汚染や光害の影響を受けないため、地上の望遠鏡に比べて大きな利点があります。宇宙望遠鏡の開発における最大の問題は、そのサイズがランチャーのサイズによって制限されることです。地球では現在、望遠鏡の直径は最大 40 メートルです。ハッブル宇宙望遠鏡には直径 2.4 メートルの鏡があり、ジェームズ ウェッブ望遠鏡には直径 6.5 メートルの鏡があります。望遠鏡を折りたたんだ位置で起動し、宇宙で自動的に開くことができるように開発されました。
一方、Liquid はすでに「折りたたまれた」状態にあります。たとえば、送信機に液体金属を充填し、注入機構と拡張リングを追加して、宇宙に鏡を作ることができます。「これは幻想です」とバーコビッチは認めました。「母は私に『いつ準備が整うの？私は彼女に言った、「おそらく約20年後。彼女は待つ時間がないと言った。」
この夢が実現すれば、宇宙研究の未来が変わるかもしれません。今日、Berkovic は、太陽系外の惑星である太陽系外惑星を人間が直接観察する能力を持っていないことを指摘しました。そのためには、既存の望遠鏡よりも 10 倍大きい地球望遠鏡が必要であり、既存の技術では完全に不可能だからです。
一方、ベルコビッチ氏は、現在最大の宇宙発射機 SpaceX である Falcon Heavy は、20 立方メートルの液体を運ぶことができると付け加えました。彼は、理論的には、Falcon Heavy を使用して液体を軌道点に打ち上げることができ、その液体を使用して直径 75 メートルの鏡を作ることができると説明しました。表面積と収集された光は後者の 100 倍になります。 .ジェームズ・ウェッブ望遠鏡.
これは夢であり、実現するには長い時間がかかります。しかしNASAは真剣に取り組んでいます。Balaban が率いる NASA のエイムズ研究センターのエンジニアと科学者のチームと共に、この技術が初めて試されています。
12 月下旬には、Bercovici 研究所チームによって開発されたシステムが国際宇宙ステーションに送られ、宇宙飛行士が宇宙でレンズを製造および硬化できるようにするための一連の実験が行われます。その前に、浮力のある液体を必要とせずに微小重力下で高品質のレンズを製造する可能性をテストするために、今週末フロリダで実験が行われます。
流体望遠鏡実験 (FLUTE) は、減重力航空機で実施されました。この航空機のすべての座席は、宇宙飛行士の訓練と映画の無重力シーンの撮影のために取り外されました。逆放物線の形で上昇し、自由落下することにより、航空機内に微小重力状態が短時間作成されます。「それは正当な理由で『嘔吐彗星』と呼ばれています」とバーコビッチは笑顔で言いました。自由落下は約 20 秒間続き、機体の重力はゼロに近くなります。この期間中、研究者は液体レンズを作成し、測定を行ってレンズの品質が十分に良好であることを証明します。その後、平面が真っ直ぐになり、重力が完全に回復し、レンズが水たまりになります。
実験は木曜と金曜の 2 回のフライトで、それぞれ 30 個の放物線で行われる予定です。Bercovici と、Elgarisi と Luria を含む研究室チームのほとんどのメンバー、およびマサチューセッツ工科大学の Frumkin が出席します。
テクニオンの研究室を訪れたときの興奮は圧倒されました。床には60個の段ボール箱があり、実験用の自作の小さなキットが60個入っています。Luria は、レンズの性能を測定するために彼が開発したコンピューター化された実験システムに最終的かつ土壇場で改良を加えています。
同時に、チームは重要な瞬間の前にタイミングの演習を行っています。あるチームはストップウォッチを持ってそこに立っており、他のチームは 20 秒以内にシュートを放ちました。航空機自体の状態はさらに悪化し、特に重力が増加した状態で何度か自由落下したり上向きに持ち上げられたりした場合はなおさらです。
興奮しているのは Technion チームだけではありません。NASA のフルート実験の主任研究者であるバラバンは、Haaretz に次のように語っています。たとえば、そのような望遠鏡は、他の星の周囲を直接観察できます。惑星は、その大気の高解像度分析を容易にし、大規模な表面の特徴を特定することさえできます。この方法は、エネルギーの収集と伝送のための高品質の光学部品、科学機器、医療機器など、他の宇宙用途にもつながる可能性があります。したがって、新興の宇宙経済において重要な役割を果たします。」
飛行機に乗り込み人生最大の冒険に出る少し前に、バーコビッチは驚きのあまり一瞬立ち止まった。「なぜこれまで誰も思いつかなかったのか、自分自身に問い続けています」と彼は言いました。「会議に行くたびに、誰かが立ち上がって、ロシアの研究者が 60 年前にこれをやったと言うのではないかと心配しています。結局のところ、それはとても簡単な方法です。」
投稿時間: Dec-21-2021