クモの糸からインスピレーションを得た、目に見えず環境に優しい皮膚取り付け型センサー

アンドリュー・コルセリ

人間の指にセンサーが印刷されています。 (画像:Huang Lab、ケンブリッジ)

研究者らは、指であれ花びらであれ、広範囲の生体表面に直接、知覚されないようにプリントできる、適応型で環境に優しいセンサーを作成する方法を開発しました。

ケンブリッジ大学の研究者によって開発されたこの方法は、さまざまな表面に適合して貼り付くことができるクモの糸からインスピレーションを得ています。これらの「クモの糸」にはバイオエレクトロニクスも組み込まれているため、さまざまな感知機能を「ウェブ」に追加できます。

「最大の課題の 1 つは、既存の製造方法から抜け出し、ファイバー センサーを製造するための回転機構を考案することでした」と研究主任兼教授のヤン ヤン シェリー ファン氏は技術概要に語った。 独占インタビューで。

この繊維は人間の髪の毛の少なくとも50分の1で非常に軽量であるため、研究者らは構造を崩壊させることなくタンポポの綿毛の種子に直接印刷した。人間の皮膚に印刷すると、繊維センサーが皮膚に適合し、汗孔が露出するため、着用者は繊維センサーの存在を認識しません。人間の指に印刷された繊維のテストは、それらが継続的な健康モニターとして使用できることを示唆しています。

「最初のアイデアは、電子スキンとクモの糸の組み合わせからインスピレーションを得たものでした」と Huang 氏は付け加えました。

生活構造を強化するためのこの低廃棄物かつ低排出の方法は、ヘルスケアや仮想現実から電子繊維や環境モニタリングに至るまで、幅広い分野で使用できる可能性があります。結果はNature Electronicsに報告されています。   .

「まず、導電性粒子、ヒアルロン酸、ポリマーバインダーからなる水溶液が作られます」とフアン氏はプロセスについて説明した。 「次に、この溶液がシリンジの先端に供給され、先端に小さなペンダント滴が作成されます。回転アームがペンダント滴と接触し、滴がセンシング ファイバーに引き伸ばされます。」

人間の皮膚は非常に敏感ですが、電子センサーで皮膚を強化すれば、周囲の世界との関わり方が根本的に変わる可能性があります。たとえば、皮膚に直接印刷されたセンサーは、継続的な健康状態のモニタリングや皮膚の感覚の理解に使用でき、また、ゲームや仮想現実アプリケーションにおける「現実」の感覚を向上させることもできます。

スマートウォッチなど、センサーが埋め込まれたウェアラブル テクノロジーは広く普及していますが、これらのデバイスは不快で目障りで、皮膚本来の感覚を阻害する可能性があります。

ウェアラブル センサーを作成するには複数の方法がありますが、これらにはすべて欠点があります。たとえば、フレキシブルエレクトロニクスは通常、ガスや湿気を通さないプラスチックフィルムに印刷されるため、肌をラップフィルムで包むようなものになります。他の研究者は最近、人工皮膚のようなガス透過性のフレキシブルエレクトロニクスを開発しましたが、これらは依然として正常な感覚を妨げ、エネルギーと廃棄物を大量に消費する製造技術に依存しています。

3D プリンティングは、他の生産方法よりも無駄が少ないため、バイオエレクトロニクスのもう 1 つの潜在的なルートですが、通常の動作を妨げる可能性のあるデバイスが厚くなる可能性があります。電子ファイバーを回転させると、ユーザーには感知されないデバイスが生成されますが、高度な感度や洗練性はなく、問題の物体に転写するのが困難です。

今回、ケンブリッジ主導のチームは、指先からタンポポの綿毛の種の頭まで、広範囲の生体表面に直接印刷することで、その表面にカスタマイズできる高性能バイオエレクトロニクスを製造する新しい方法を開発した。彼らの技術は、最小限の材料を使用して環境に適応した洗練された強力な巣構造を作成するクモから部分的にインスピレーションを得ています。

研究者らは、PEDOT:PSS (生体適合性導電性ポリマー)、ヒアルロン酸、およびポリエチレンオキシドから生体電子「スパイダーシルク」を紡ぎ出しました。高性能繊維は室温で水ベースの溶液から製造されたため、研究者は繊維の「紡糸性」を制御することができました。次に研究者らは、繊維が指紋などの微細構造に至るまで、生体表面に変形できるようにする軌道回転アプローチを設計しました。

人間の指やタンポポの種の頭を含む表面上での生体電子ファイバーのテストでは、宿主には感知されずに、高品質のセンサー性能を提供することが示されました。

「当面の次のステップは、アプリケーションベースのシナリオを確立し、センサー システムのどの部分を感知できないファイバーで作成し、残りの部分は既存の微細加工デバイス/電子テキスタイルを使用できるかを決定することです」と Huang 氏は述べました。