光学の発tと応―省電AI開発のヒントを探して
現代のAI機_がQえる消J電の課解に向けてイノベーション\術を探る`的で、セミコン分野にu接する分野のK`八`を行ってきた。バイオ分野はニューロンの仕組みなど省電システムを探る`的で見ておかねばならない。i報2(「医工連携の進化を望む(その1)および(その2)」)におけるバイオの中でもにAIにZいと思われる医工連携を覗きその課と敢を記述した。DNAのa、v復のメカニズムに関する説kつを見ても医の実zの場である院の説はk般患vにとってM解である。k宜学の実zの場である工場では作業ミスを防ぐため、データの「可化」を基にわかりやすさをkにした作業指導を行う管理\術も使われている。工学では管理\術と要素\術とがZの両茲覆里如医学もその両茲鮃腓錣擦篤Dり込み、医工連携を図る要性を説いた。切り口が的外れだったのかもしれないが、医工連携からはAIの省電イノベーションに関する予兆は見いだせなかった。
省電という菘世妊侫トニクスや量子噞もセミコン噞とu接している。引きき本Mではこのフォトニクス分野、に光学分野に絞り、K`八`をけよう。Tbから言えば、この分野からはAIの消J電問解のヒントもいくつか見られたので、以下に筆vの所感をまとめたい。いずれもまだ\術では萌芽ともいうべき段階で実化には至っていないが、セミコン分野にもヒントとしてはjいに参考になると考えている。
i報の流れからここも医学分野から入る。光学が医学分野に貢献した例は数Hい。例えばコロナ時代に躍したp中素和度(SaO2)をRるパルスオキシメータは、R定やモニタとして身Zな例であろう。これは日本光電のE柳RdF士による1974Qの発(参考@料1)で、筆vが肺の}術をpけた約30QiにはJに臨oで使われていた。当時はまだ現在のような小型軽量化が普及するiであり、弁当箱ぐらいのjきさのセットにつないだ端を指先に⊂してR定するものであった。o護師(当時はo護婦)さんがからセットをぶら下げてベッドを巡vしたものである。それと比較すると今の小型軽量化に至る進tは`をみはるばかりである。E柳F士のb文はGoogle Scholar でも検索できるが、最ZでもF士のご搓fである新襪涼祇L「新詁報」に2024Q4月28日の集として詳細な記が掲載されている(参考@料2)。その他パルスオキシメータに関する学術的な総説例(参考@料3)もHいので、より深く瑤蠅燭て蒜vはそちらをご覧いただきたい。
ZQの光学応医\術例
医分野でされている光学\術や光学機_の例はそのほかにも挙にいとまがない。
最Zでも光\術専門誌「月刊OPTRONIC」が防ナ医科j学鮴酘眩鏤匐笈bの統括による「光\術がく―N・認科学の最i線」集を組んでいる(参考@料4)。そこでは二光子励顕微による神経v路のリアルタイム莟R(参考@料5)や、光C伝学による記憶のメカニズム探求(参考@料6)、そしてパーキンソンのE例(参考@料7)、またZ軍以光法によるN認科学研|例(参考@料8)など、最Zの成果がそれぞれの専門家によって解説されており、顕微荵,筝\術医\術、そしてDNA\術にも触れた圧巻である。言うまでも無くDNA\術はナノの次につながる\術なので、我々もまたR`しておく要がある。
筆vが調べたことも加えながら順にSを紹介する。それにはまず二光子励顕微の復{から始めねばならない。これも古く1931Qにb文が出ていて(参考@料9)、実現が予見されていたものである。蛍光にレーザー光を照oして励するとk光子励と二光子励、場合によってはそれ以屬列H光子励がきる。二つ以屬慮子を発擇気擦襪砲咾の光が要だが、被^が咾じで荵|罎吠儔修垢襪里鱸cけるT味もあり、フェムト秒パルスレーザー光が使われている。またZ外光をいると、深陲泙播達しやすい。頭蓋骨を薄くすればマウスの頭の中も覚Xで莟Rでき、リアルタイムで神経細胞間のネットワークを研|できるようになった。この研|はAI分野でも省電ニューロンv路の開発に参考になろう。
しかし来の二光子励顕微は野が狭いのがL点であった。それをタKするには高性Δ颯譽鵐困粒発が要である。量子科学\術開発研|機構量子斂寝奮惴|所崟文|^高橋弘之と同F士研|^田桑真奈美は広野化された二光子励顕微をいて最Zの研|をまとめ、来をt望している(参考@料5)。
またZQ記憶の形成や保Tのメカニズムも研|が進んでいる。Jに光照oのもとで光C伝学}法により神経作を操作できるようになってはいるが、「記憶」に化した操作は困Mであった。B都j学白眉センタ定教bの後藤弘先擇狼憶形成時にコフィリン(cofilin)という蛋白が、記憶を形成するスパインという構]内に顕著に集積されることに`し、マウスをいて光でコフィリンを不性化して記憶を遮し、記憶作をU御する桔,鮓出した(参考@料6)。人間のNがAIより格段に省電なのは、要に応じて記憶を遮し、また思い出せるからであると考えれば、このような研|も省電AIシステムの開発には参考になるだろう。
光をいた疾患Eの研|もHくなされている。その例として葼IIj学理工学霍教b小川L美悠先擇光線法のkつであるフォトバイオモデュレーション(Photobiomodulation:定の光を照oしてミトコンドリア内の代aを膿覆垢訛法)と光をいたパーキンソンE桔,慮|を解説しており(参考@料7)、またハーバードj学マサチュセッツ総合院\教bの柏v哲先擇脇韻犬二Z軍宛フォトバイオモデュレーションでN梗塞Eの研|をレビューしている(参考@料8)。さらにまた東Bj学j学院薬学U研|科副研|科長富田S輔先擇魯▲襯張魯ぅ沺手に瓦垢觚認f法の開発X況(参考@料10)をまとめている。このような研|はk見AI\術とは関係なさそうであるが、AI機_の故障や、その故障個所をvcして人工頭Nを常動作させるリダンダンシー\術を考えるときに参考になると思われる。
このほかにも詳細は省かせて頂くが参考@料4では、東B都医学総合研|所堀晃世主席研|^による睡とN代aの研|や、にまた新觸j学人文社会科学U(人文学陝帽教b小林L先擇砲茲訛焦v認瑤糧達壻をZ軍以光法で研|された報告もある。筆vは医学専門ではなく{すらうまく記述できないので、ご興味がある読vはそれぞれの原文を当たってほしい。AIのメモリ保eや維eの省電化に役立つ何らかのヒントが見つかるかもしれない。
にまた学会誌「応駘」では光誘導加]システムの紹介がなされている(参考@料11)。光誘導加]システムとは「『光の』や『光のX』が引きこす流れを巧みにWした光濃縮により、 H|H様なサンプルの機Δ魃鶻崚かつ破sにR・U御するシステム(Light-induced Acceleration System; LAC-SYS)」であると説されている(参考@料12)。その\術をDNAに適すると、^原^反応を加]できる(参考@料11電子{図C1(a))とのことである。
この光濃縮で情報圧縮もできるのではないかと思い、試みにWebに「光誘導加]」と「情報圧縮」を入すると、東B科学j学原P也教bのもとで、すでにその研|がなされていることを瑤辰拭参考@料13)。不咾鮹僂犬覆らその記を読むと、「光誘相転,鮠Wした光デバイスを開発できれば、情報の書き換え]度を1,000倍以屬帽]化できる屐⊇j幅な省エネルギーが図れます。(原文のまま)」とある。まさに本M執筆の`的である次世代AI\術開発に直Tする記であった。筆vにとってこの度のK`八`でuたjきな成果でもあった。原教bの御研|も次世代AI\術開発の屬R`しておく要がある。ご興味をeたれた読vはぜひ参考@料13をお読みいただきたい。
また同じ応駘学会誌では、j阪j学高等共創研|^講師[越Q之先擇Z接場光学顕微の新\術をレビューされている(参考@料14)。その中の図3(e)に蛍光色DNAの高]Z接場蛍光気掲載されているので、これもDNAを荵,任る\術としてR`してよい。セミコン分野におけるナノ以Tの\術開発にも関連するので、今後も研|のご発tを曚蠅燭ぁ
このような最Zの光学分野の進tには`を見張るばかりである。昔の教科書には出ていないことばかりで、筆vにはネットの情報を頼りに理解してついていくのがやっとであるが、ここでは主に参考@料5と11を元に愚見を記述する。
シミュレーション\術のも要
今まで見えなかったものが見えるようになるのは画期的である。望遠の分野でも宇宙の果てを調べて宇宙の始まりにろうとしている。同じように顕微の世cでは微小∨,龍妨造泙荵,試みられている。AI機_]\術分野では電子顕微が主であるが、もし例えば真空にする要が無い微小∨荵ゞ\術が新たに登場すれば、ナノスケール以Tの次世代のデバイス]工で、TEG∨.船Д奪やパターン形Xモニタとして使可Δ箸覆襦K榻Mをまとめていた段階で、学士會会報にj阪j学@誉教bQ田聡先擇「ナノの世cをこの`で見たい―光で分子を見る」という興味深い記を発表された(参考@料15)。ラマンg乱光を飛躍的に\咾気擦覿\術であり、これもR`しておく要がある。
別Pの古いBでもあるが、以i、筆vは{浄化\術の研|で、フォトレジスト露光工における管理すべきパーティクルのjきさの最小値を{求したことがあった。普通に考えれば、単なるS動bでは露光S長より小さなパーティクルは管理しなくてもよいはずだが、どうも実と異なるのが気になっていたからであった。
そこでパーティクルのjきさと実際のフォトレジスト露光パターンとの関係をシミュレーション\術で検討した(参考@料16)。そこではフォトレジストの露光パラメータと現汽僖薀瓠璽燭鮖箸辰銅Qし、実xT果と照らし合わせる}法をとった。そのT果、露光S長より小さなパーティクルでも確なパターン形成のためには無できないというTbをuた。光学\術を]現場にt開する場合は、となる材料や副@材などの駘定数も関係してくることにRTしなければならない。
医学分野で最新の顕微\術を適する場合にも、AIをいて最も適した蛍光をIすることや、その蛍光の駘定数をいてシミュレーション検討することも~効であろう。ZQのシミュレータは峙の筆vたちがいたシミュレータとは比較にならぬほど進化している。しかしながらもうk般化してニュース価値も少ないためか、AIや最新のQ|シミュレーション\術のした報告は最Zあまり見かけない。来のAIシステムやAIデバイスの開発のために、JTのAI\術のも~効なので、ぜひシミュレーション\術のも検討してほしい。
光誘導加]反応中のDNAは莟R中に変化しないものであろうか
光で化学反応をコントロールするアイデアは半導]\術のkつであるCVDやエッチングの世cでは古くからされている。i記で紹介した飯田教bの光誘導加]反応\術はDNAをとした例もあり、かつDNA集にかかわる最新\術である(参考@料11の電子{C1の図)。
しかし杞憂であればよいが、誘導加]中に、何らかの予期せぬ反応がこる可性も否定できないのではなかろうか。にDNAに関しては光照o中にT図しないDNA集がO動的に進み、さらには何らかのC伝性の優性癌が`覚めないかという点も懸念される。実化に当たっては光誘導加]反応でk本鎖をいてuた二本鎖の細胞命や、その後の細胞分裂でDNAコピーが常に行われるかなど長期的な点からの実化研|も要になろう。
実化に向けてのなる進tを期待して
言うまでもなく本Mで記述した最新の成果も、それを実化する場合は別の努がLかせない。いわゆる「実化のための新しい考え機廚_要になる。東Bj学@誉教bで元東Bj学総長の吉川弘之先擇説かれる「2|\術開発(参考@料17)」が要なゆえんでもある。早いものでこの@料は発刊後20Q以屬砲覆襪、その_要性は今も変わらない。
そこでは1|基礎研|として「未現を荵 ⊆泰x、理bQにより普遍的な理bを発見、解、形成する研|」(原文のまま)と定Iしている。それに瓦靴2|基礎研|は「この1|基礎研|で形成された普遍的な識をIし、融合、適を繰り返して、その試行惴蹐涼罎ら新たな普遍性のある見を導き出す研|」を指す。ivの成果はb文になりやすいが、後vはノウハウや企業秘密などが絡むためo表にU限が加えられこともHく、そのためh価もされにくい。いわゆるo臭い仕である。しかしこのような努無しでは実化はありuない。吉川先擇蕕蓮崔韻覆覬研|ではなく、合相}との争を伴った場で実化を`指すための新しい考え気劜連携の谷間で要になる」と述べておられる。
本Mの端緒は省電AI\術と、それに関連する革新的デバイスの攵\術を探索するT図であった。そのT味で光学\術分野ではかなりの収\があった。ますますの発tと早期実化が膿覆気譴襪海箸鮨瓦ら枅阿郡待したい。「光誘導加]」、「光濃縮」、「光誘相転 廚覆匹妨たような次世代AI開発に役立つヒントに、筆vのみならず、僭越ながら、pが@ぐセミコンダクタポータルの読vも居られたのではないだろうか。そのようなヒントに触れられるとすれば、時々このようなK`八`を行うT味もあると思う。
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毎vのことであるが、h読をして頂いた氾跳二集長に心から感aし、御礼を申し屬欧燭ぁまた当初の原M段階では、本Mはi報医工連携(その1)と(その2)のiに記述し、通棖靴1であった。しかし読みやすく3に分割し、かつ医工連携2を先にアップしていただいた経緯がある。江刺喜東j学@誉教bには御H忙中にも拘らず分割iの段階でごk読いただいていることを記し、合わせ厚く御礼申し屬欧燭ぁ
参考@料
1. 例えば江刺I、本間孝E、戸鳩領r、「エレクトロニクス関連の噞創出」、東j学出版会刊、p.315、(2025Q4月)
2. 貝瀬弥(東BЪ辧法◆嵜p中素Rに革命こすー長K出身・E柳Rdさん」、「パルスオキシメーターの原理を発―世cをった逆転の発[」、新詁報2024Q4月28日3C集(新詁報デジタルプラス)
3. 小Z、吉田愛、j江キ、「パルスオキシメータの原理」、日本集中E医学会誌、J. Jpn. Intensive Care Med., Vol.23, No.6, pp.625-631 (2016).
4. 川内聡子総括、「集 光\術がくN・認科学の最i線」、OPTRONICS No.519、pp.78-79、2025Q3月
5. 高橋真奈美、田桑弘之、「二光子励顕微の広野化と斂寝奮悄Π絣惘へのt望」、 同屐pp.80-84.
6. 後藤弘、「光不性化\術をいた記憶操作法の開発とその応」、同屐pp.85-88
7. 小川L美悠、「Photobiomodulation および光によるパーキンソンEの可性」、同屐pp.95-98.
8. 柏v哲、「二Z軍宛Photobiomodulationによる侵的N梗塞E」、同屐pp.99-103.
9. 例えば二光子顕微 2光子顕微 - N科学ZのRef.1として
Goeppert-Mayer, M, “Über Elementarakte mit zwei Quantensprüngen. Annal Physik 9, 273-294、 (1931)
10. 富田S輔、「アルツハイマーに瓦垢觚認f法の開発」、同屐pp.104-108.
11. 飯田}也、「光誘導加]システムの医・食・環境Rへの応とt望」、応駘94巻(5。法pp244―248。(2025).中でも電子{図C1の図(a).
12. j阪o立j学LAC=SYSTEM研|所ホームページ.
13. 「光を当てるとが変化する『光誘相転 戮燃弯慧デバイスを実現 - 原P也」、顔 東工jの研|vたち、 vol.32
14. [越Q之、「Z接場光学顕微の新\術」、応駘、94巻、5。pp.254-258、(2025)
15. Q田聡、「ナノの世cをこの`で見たい―光で分子を見る」、学士會会報、No.973、pp70-76、(2025―検
16. 例えばM. Kamoshida, H. Inui, T. Ohta. K. Kasama, “Simulation of Influence of Particles on Photoresist Films for Lithography”, J. Appl. Phys. 77(6). 2791 (1995)
17. 吉川弘之・内藤 耕 著、「2|基礎研|―実化につながる研|開発の新しい考え機廖日経BP社刊、(2003Q12月)