生物学的皮膚とその機能を模倣する「e-Skin」

新しいタイプの可鍛性、自己修復性、および完全にリサイクル可能な「電子皮膚」の発見は、健康監視、ロボット工学、補綴物、および改良された生物医学装置に幅広い用途があります。

に発表された研究 科学の進歩 人間と比較した場合の展性、自己回復、完全なリサイクル性など、多数の特性を備えた新しい電子スキン（または単にeスキン）を紹介します 皮膚¹。私たちの最大の器官である皮膚は、外から見たときに肉質の覆いです。 私たちの皮膚は非常に用途の広い器官であり、防水性の絶縁シールドとして機能し、太陽の損傷などのさまざまな外部の危険や要因から私たちの体を保護します。 皮膚の機能のいくつかは、体温の調節、有毒物質の摂取からの体の保護、そしてまた有毒物質の排泄（汗と一緒に）、機械的および免疫学的サポート、そして重要なものの生産です ビタミンD これは私たちの骨にとって非常に重要です。 皮膚はまた、脳と即座に通信するための十分な神経を備えた巨大なセンサーです。

世界中の研究者がさまざまなタイプとサイズのウェアラブルの開発に取り組んできました e-スキン'模倣しようとすることを目標に 生物学的な 皮膚とそのさまざまな機能。柔らかく曲線的な人間の皮膚とシームレスに統合するための、柔軟で伸縮性のあるデバイスが強く求められています。ナノスケール (10^-9m）材料は、以前に通常使用されていた剛性シリコンに取って代わり、必要な機械的および電気的多様性を提供できます。 米国コロラド大学ボルダー校のJianliangXiao博士が率いるチームは、人間の皮膚の感覚的なタッチをロボットや補綴物に変換することを目的として、人工電子皮膚（e-skin）の開発に成功しました。 この試みは、将来、医療、科学、工学の分野で大きな可能性と価値を持つ「ウェアラブル」技術を持つ方向に向かっています。

E-skin：自己回復性とリサイクル可能

E-skin は薄くて半透明の素材で、 小説 ポリイミンと呼ばれる共有結合した動的ポリマーネットワークの一種で、機械的強度、化学的安定性、導電性を向上させるために銀ナノ粒子が混入されています。この e-skin には、圧力、温度、湿度、空気の流れを測定するためのセンサーも埋め込まれています。この e-skin は、人間の皮膚を非常によく模倣する多くの機能が組み込まれているため、注目に値すると考えられています。展性が高く、適度な熱と圧力を加えることで過度の応力を加えることなく曲面 (人間の腕や脚、ロボットの手など) に簡単に取り付けることができます。 e-skin は驚くべき自己修復特性を備えており、外部環境による切り傷や損傷が発生した場合、e-skin は分離した 2 つの面の間で化学結合を再構築し、マトリックスを適切な機能に復元し、元の結合状態に戻ります。

このe-skinが何らかの状況で使用できなくなった場合、既存のe-skin材料を「液化」して「新しい」e-skin。 このリサイクル溶液（エタノール中のXNUMXつの市販の化合物の混合物）は、ポリマーを分解し、銀ナノ粒子は溶液の底に沈みます。 これらの分解されたポリマーは、新しい機能的なe-skinを作るために新たに使用することができます。 室温で達成可能なこの自己修復性とリサイクル性は、使用されるポリマーの化学結合に起因します。 ポリアミンのポリマーネットワークの利点は、その可逆性であり、架橋ポリマーネットワーク内の不可逆的な結合のために再成形、再処理、またはリサイクルできないほとんどの従来のサーモスタット材料とは異なり、壊れてリサイクルできることです。 これは人間の皮膚自体よりも頑丈であり、代替品ではなく、皮膚の強化として使用できます。 また、触るのも心地よく、まるで本物の肌のように感じます。これは、将来、たとえば電子機器のカバー剤になる可能性があります。

e-skin は環境に優しく、低コストという特性が高く評価されており、このような e-skin は電子廃棄物と環境への影響を大幅に削減し、非常に使いやすく、さまざまな分野のメーカーに人気がある可能性があります。現時点ではこじつけに聞こえるかもしれませんが、この再利用技術は古い電子機器にも同様に適用できる可能性があります。実際、現代のフィットネストラッカーや健康モニターは一度破損すると、電子廃棄物複合環境関連の問題が山ほど増えています。 e-skin は首や手首に装着することができ、柔軟なウェアラブルや一時的なタトゥーのようなものになる可能性があり、損傷した場合はいつでもリサイクルして再利用できます。 e-skinは柔軟性があるため、曲げたりひねったりすることができ、着用者に合わせてカスタマイズすることができます。このテクノロジーはインテリジェントなソリューションへの道を開きます ロボット工学 このような心地よい感触と快適な電子皮膚をロボットや義肢の体に巻き付けることができます。さらに詳しく説明すると、この電子皮膚に包まれた義手または義足では、複数のセンサーが組み込まれているため、装着者は温度や圧力の変化に反応することができます。このような e-skin を取り付けたロボットの腕や脚は、ロボットが人間に対してより繊細に動作し、より安全で信頼できるものにすることができます。たとえば、e-skin は、赤ちゃんや体の弱い高齢者を扱うロボットに特別に取り付けることができるため、ロボットに過度の力がかかることはありません。 e-skin の別の用途としては、危険な環境やリスクの高い仕事が考えられます。この技術は、例えば爆発物産業やその他の危険な作業分野などで、人間の物理的相互作用なしであらゆる操作を可能にする仮想ボタン、コントロール、またはドアとともに使用できる可能性があると考えられます。そのため、この e-スキンは危険性を減らすことができるかもしれません。人的傷害のこと。

e-skinにディスプレイを追加する

東京大学の研究者チームが最近ディスプレイを追加しました²(マイクロ LED) から極薄のバンドエイド スタイルの e-スキン パッチまで、健康モニタリングのさまざまな兆候をリアルタイムで表示できるようにします (糖尿病患者の血糖値の測定や心臓の心電図の移動波形など) 患者）。これらのパッチには伸縮性のある配線が付いているため、着用者の動きに応じて最大 45% まで曲げたり伸ばしたりすることができます。これらは、最近では最も柔軟で耐久性のあるデザインであると考えられています。人間の皮膚細胞が継続的に脱落するため、数日後にパッチが剥がれる可能性がありますが、これは回避できます。

染谷隆夫教授が率いるこの研究は、このようなディスプレイは、最終的には、患者だけでなく、家族、介護者、医療専門家にとっても、直接または医療情報をシームレスかつ簡単に読み取り、伝達できるようになると述べています。リモートで。 メッセージも受信します。 研究者たちは、パッチの信頼性をさらに向上させ、費用対効果を高め、世界中でより広い範囲で生産を拡大することを目指しています。 彼らの目標は、2020年末までにこのデバイスを市場に投入することです。

今後の課題

e-skinの開発は非常にエキサイティングな斬新な研究ですが、私たちの基本的な特性のXNUMXつである柔軟性と伸縮性はまだe-skinによってうまく達成されていません。 e-skinは柔らかいですが、人間の皮膚ほど伸縮性はありません。 著者によると、現状では、材料も非常に簡単に再現することはできません。 再修復/リサイクルされたe-skinデバイスでは、新しいモジュールと比較して全体的なセンシングパフォーマンスのわずかな低下が見られました。これは、さらなる調査で完全に対処する必要があります。 電子スキンが使用する磁場も非常に高く、縮小する必要があります。 現在、デバイスは非常に実用的ではない外部ソースから電力を供給されていますが、代わりにデバイスに電力を供給するための充電式の小さなバッテリーを使用できるはずです。 Dr.Xiaoと彼のチームは、この製品を改良し、スケーリングソリューションを改善して、少なくとも経済的なハードルを超え、このeスキンを製造し、ロボット、補綴物、医療機器などに配置しやすくしたいと考えています。

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ソース

1. Zou Z etal。 2018.動的共有結合熱硬化性ナノコンポジットによって可能になった、再修復可能、完全にリサイクル可能、および可鍛性の電子スキン。 科学の進歩. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T.2018。超柔軟なオンスキンセンサーによる継続的な健康モニタリング。 AAAS年次総会シンポジウム、テキサス州オースティン、17年2018月XNUMX日。 https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. 横田 剛志 他「超柔軟有機フォトニックスキン」SCIENCE ADVANCES. 15年2016月2日 第4巻 第XNUMX号. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

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