高性能液体金属ウェアラブル圧力センサーで精密健康モニタリング

ソフト圧力センサーは、ソフトロボティクス、電子皮膚、ウェアラブルエレクトロニクスなど多様な分野で大きな研究注目を集めています。研究者たちが、生理的・物理的信号の感度高く精密で連続的な測定が可能な高感度ウェアラブル圧力センサーを開発し、健康モニタリング応用と疾患早期診断への大きな可能性を示しています。

ソフト圧力センサーは、連続健康モニタリングに採用されるため、高コンプライアンス、高感度、低コスト、長期性能安定性、環境安定性が要求されます。カーボンナノチューブやグラフェンなど機能性材料を用いた従来の固体ソフト圧力センサーは優れたセンシング性能を示しましたが、伸縮性基板と機能性材料の距離により、伸縮性の限界、信号ドリフト、長期不安定性に悩まされてきました。

これらの課題を克服するため、液体金属を用いた液体状エレクトロニクスが様々なウェアラブル応用に導入されてきました。これらの材料の中でも、ガリウム・インジウム・スズの共晶合金であるガルインスタン（Galinstan）は、優れた機械的・電気的特性を持ち、ウェアラブル応用に採用可能です。しかし、現在の液体金属ベース圧力センサーは圧力感度が低く、健康モニタリングデバイスへの適用性を制限しています。

研究者たちは、3Dプリントされた剛性マイクロバンプアレイ統合型液体金属ベースソフト圧力センサーを開発しました。3Dプリントの助けにより、剛性マイクロバンプアレイと液体金属マイクロチャネルのマスターモールドの統合を同時に達成し、製造プロセスの複雑さを低減しました。剛性マイクロバンプとマイクロチャネルの統合により、新圧力センサーは極めて低い検出限界と、従来報告された液体金属ベース圧力センサーと比較して向上した圧力感度を持ちます。提案センサーは、圧力・曲げ・伸縮の10,000サイクルで無視できる信号ドリフトを示し、様々な環境条件下で優れた安定性を示しました。

これらの性能成果により、様々な健康モニタリングデバイスに最適なセンサーとなります。まず、研究チームは運動中の脈拍を連続監視し、PTT計算ベースの非侵襲的カフレス血圧モニタリングシステムに採用可能なウェアラブルリストバンドデバイスを実証しました。次に、3つの3D-BLiPSを無線通信モジュールと統合したワイヤレス着用型踵圧モニタリングシステムを導入しました。

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