クモの糸に着想を得た、不可視で環境に優しい皮膚装着型センサー

アンドリュー・コルセリ

人間の指に印刷されたセンサー。（画像: Huang Lab, Cambridge）

研究者たちは、指や花びらなど、幅広い生物学的表面に直接かつ知覚されずに印刷できる、適応性と環境に優しいセンサーを作る方法を開発しました。

この方法は、ケンブリッジ大学の研究者たちによって開発され、さまざまな表面に適合し付着するクモの糸から着想を得ています。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おり、「巣」にさまざまなセンシング機能を追加できます。

「最大の課題の一つは、既存の製造方法から脱却し、ファイバーセンサーを生成する紡糸メカニズムを考案することでした」と、研究リーダーのヤン・ヤン・シェリー・ファン教授はTech Briefsの独占インタビューで語っています。

これらの繊維は人間の髪の毛の少なくとも50分の1の太さで、非常に軽量なため、研究者たちはタンポポの綿毛の種子頭に直接印刷してもその構造を崩さずに済みました。人間の皮膚に印刷すると、ファイバーセンサーは皮膚に適合し汗腺を露出させるため、着用者はその存在を感じません。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可能性を示唆しています。

「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着想を得たものでした」とファン教授は付け加えました。

この低廃棄物・低排出の生体構造拡張方法は、ヘルスケア、バーチャルリアリティ、電子テキスタイル、環境モニタリングなど、幅広い分野で利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を作ります」とファン教授はプロセスを説明します。「この溶液をシリンジチップに供給し、チップ先端に微小な吊り下げ滴を作ります。回転アームがこの吊り下げ滴に接触し、滴を引き伸ばしてセンシングファイバーにします。」

人間の皮膚は非常に敏感ですが、電子センサーでそれを拡張することは、私たちが周囲の世界と相互作用する方法を根本的に変える可能性があります。例えば、皮膚に直接印刷されたセンサーは、継続的な健康モニタリング、皮膚感覚の理解、ゲームやバーチャルリアリティアプリケーションでの「現実感」の向上に使用できるでしょう。

組み込みセンサーを備えたスマートウォッチなどのウェアラブル技術は広く普及していますが、これらのデバイスは不快で、邪魔になり、皮膚の固有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の製造には複数の方法がありますが、これらすべてに欠点があります。例えば、フレキシブルエレクトロニクスは通常、ガスや水分を通さないプラスチックフィルムに印刷されるため、皮膚をラップで包んだような状態になります。他の研究者たちは最近、人工皮膚のようにガス透過性のある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、他の製造方法より廃棄物が少ないためバイオエレクトロニクスのもう一つの潜在的なルートですが、正常な行動を妨げる厚いデバイスになりがちです。電子ファイバーを紡糸すると、ユーザーに知覚されないデバイスが得られますが、感度や洗練度が高くなく、対象物への転写が困難です。

今、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子頭まで、幅広い生物学的表面にカスタマイズ可能な高性能バイオエレクトロニクスを、その表面に直接印刷する新しい方法を開発しました。彼らの技術は、最小限の材料で環境に適応した洗練された強力な巣構造を作るクモから、部分的に着想を得ています。

研究者たちは、PEDOT:PSS（生体適合性導電性ポリマー）、ヒアルロン酸、ポリエチレンオキシドからバイオエレクトロニックな「クモの糸」を紡ぎ出しました。高性能ファイバーは、室温で水系溶液から生成され、ファイバーの「紡糸性」を制御することができました。研究者たちはその後、生きている表面、指紋のような微細構造にまでファイバーを変形させる軌道紡糸アプローチを設計しました。

人間の指やタンポポの種子頭などの表面でのバイオエレクトロニックファイバーのテストでは、ホストに知覚されないながら高品質なセンサー性能を提供することが示されました。

「次の直近のステップは、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知覚されないファイバーで作り、残りを既存のマイクロファブリケートデバイス/電子テキスタイルで作るかを決定することです」とファン教授は述べています。