人工毛搭載の新型Eスキン：多方向タッチを検知・予測

ケムニッツとドレスデンの研究チームが、統合された人工毛を持つ感度の高い電子皮膚（Eスキン）の開発で大きな前進を遂げました。Eスキンは、天然の人間の皮膚の感度を模倣しようとする柔軟な電子システムです。応用範囲は、皮膚置換・身体装着医療センサーから、ヒューマノイドロボット・アンドロイド用人工皮膚まで多岐にわたります。

微細な表面の毛は、人間の皮膚上のわずかな触覚を知覚・予測し、触覚の方向さえ認識できます。最新の電子皮膚システムにはこの能力がなく、周囲のこの重要な情報を収集できません。

研究チームは、Eスキンシステム（アクティブマトリクス）に統合可能な、極めて感度が高く方向依存性のある3D磁場センサーを開発する新たなアプローチを探求しました。チームは、3Dデバイスアレイの微小化と統合に全く新しいアプローチを用い、人間の皮膚の自然な触覚模倣に大きく前進しました。研究成果は『Nature Communications』誌に報告されています。

研究の第一著者クリスチャン・ベッカー氏は「我々のアプローチにより、機能的センサー要素を3Dで精密に空間配置でき、並列製造プロセスで大量生産可能です。このようなセンサーシステムは、確立されたマイクロエレクトロニクス製造手法では極めて生成困難です」と述べています。

研究チームが提示したセンサーシステムの核心は、異方性磁気抵抗（AMR）センサーです。AMRセンサーは磁場の変化を精密に特定できます。現在、自動車の速度センサーや、様々な機械の可動部品の位置・角度決定などに使用されています。

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高度にコンパクトなセンサーシステムを開発するため、研究者たちはいわゆる「マイクロオリガミプロセス」を活用しました。このプロセスは、AMRセンサーコンポーネントを三次元構造に折り畳み、磁気ベクトル場を三次元で分解能することを可能にします。

マイクロオリガミにより、多数のマイクロエレクトロニクスコンポーネントを小さな空間に収め、従来のマイクロ製造技術では達成不可能な幾何学的配置で配列できます。「マイクロオリガミプロセスは20年以上前に開発されましたが、この優雅な技術の全ポテンシャルが今、新規マイクロエレクトロニクス応用で発揮されるのを見るのは素晴らしいことです」とオリバー・G・シュミット教授。

研究チームは、3Dマイクロオリガミ磁気センサーアレイを単一のアクティブマトリクスに統合しました。ここでは各個別センサーがマイクロエレクトロニクス回路により便利にアドレス指定・読み出し可能です。「アクティブマトリクス磁気センサーと自己組織化マイクロオリガミアーキテクチャの組み合わせは、高分解能3Dセンシングシステムを微小化・統合する全く新しいアプローチです」と、プロジェクトのコンセプト、設計、実装に決定的に貢献したダニール・カルナウシェンコ博士。

研究チームは、磁気的に根付いた微細な毛と3D磁気センサーを統合し、人工Eスキンに成功しました。Eスキンはエラストマー材料でできており、その中に電子回路とセンサーが埋め込まれています——有機皮膚が神経で網目状に覆われているのと同様です。

毛が触れられ曲がると、その動きと磁気根の正確な位置が、下層の3D磁気センサーによって検出されます。センサーマトリクスはしたがって、毛の単なる動きを検知するだけでなく、動きの正確な方向も特定します。本物の人間の皮膚と同様に、Eスキンの各毛が完全なセンサーユニットとなり、周囲の変化を知覚・検出できます。

3D磁気センサーと磁気毛根の磁気力学的結合がリアルタイムで提供されることで、新しいタイプの触覚知覚が実現します。この能力は、人間とロボットが密接に協働する際に極めて重要です。例えば、ロボットは意図した接触や不意の衝突が起こる直前、多くの詳細を伴って人間との相互作用を事前に感知できます。