伸縮性センサー材料、ひずみ下でのエレクトロニクス性能を向上

私たちの体は、化学物質、電気パルス、機械的変位など、健康に関する豊富な情報を提供する多数の信号を発しています。しかし、これらの信号を検出する電子センサーは、しばしば脆い無機材料で作られており、皮膚上や体内で伸縮・曲げることができません。最近の進歩で伸縮性センサーが可能になりましたが、形状変化が生成データに影響し、多くのセンサーは体の最も微弱な信号を収集・処理できません。

新しいセンサー設計は、トランジスタ間のひずみ分布を最適化するパターン化材料を取り入れ、変形によって損なわれにくい伸縮性エレクトロニクスを実現しました。研究者たちはこの設計でいくつかの回路要素も作製し、さらに多くのタイプの伸縮性エレクトロニクスへの道を開きました。

エレクトロニクス設計のために、研究者たちはパターン化ひずみ分布コンセプトを使用しました。トランジスタ作製時に、エラストマー（弾性ポリマー）製の基板を使用しました。エラストマー層の密度を変化させ、一部をより柔らかく、他を硬くしながらも弾性を保ちました。より硬い層（研究者たちによって「エラストフ」と命名）をアクティブな電子領域に使用しました。

その結果、伸縮・曲げても非変形時とほぼ同じ電気性能を持つトランジスタアレイが得られました。実際、100%のひずみで伸ばしても5%未満の性能変動に留まりました。チームはこのコンセプトを用いて、NORゲート、リングオシレーター、アンプなどの他の回路部品も設計・作製しました。NORゲートはデジタル回路で、リングオシレーターはRFID（無線周波数識別）技術で使用されます。これらの部品を伸縮可能にすることで、さらに複雑なエレクトロニクスを作れるようになります。

彼らが開発した伸縮性アンプは、数ミリボルトまでの微弱な生体電気信号を増幅できる、最初の皮膚様回路の1つです。これは筋肉からのような、体の最も弱い信号を検知するために重要です。信号は皮膚上で直接処理・増幅できます。

この設計はALS診断ツールとして評価されています。筋肉からの信号を測定することで、疾患のより良い診断と、疾患が体にどう影響するかの知見獲得を目指しています。また、体内埋め込み型エレクトロニクスへの設計テストと、あらゆる種類の体内信号センサーの創出も希望しています。

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