ブラックテクノロジーのバッテリー寿命を向上！太陽電池を使えば、この電子皮膚は脳コンピューターインターフェースや電気自動車に使用できる。

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人間をもっと人間らしくする。

人工皮膚分野の「材料マスター」であり、化学者で、スタンフォード大学化学工学部の部長でもあるバオ・ジェンナン氏は、かつて電子人工皮膚を研究した当初の意図をこのように語ったことがある。

鮑振南氏のような科学者のビジョンでは、このブラックテクノロジーは義肢が触る、曲げる、押すなどの動作を理解するのに役立ち、義肢を装着した人々が外界に対する真の知覚を取り戻すことができる。

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実際、電子皮膚は人工装具、医療検査、診断への応用が期待されるほか、ロボットにも利用でき、ロボットの柔軟性や延性を向上させ、さらにはロボットが人間のように痛みに反応できるようにもなります。

電子スキンは開発されて以来、その厚さ、応答速度などの性能が継続的に向上してきましたが、モバイル電子機器として、電子スキンのバッテリー寿命も重要な問題です。

この目的のために、英国グラスゴー大学の研究チームは、太陽光を利用して電子皮膚に電力を供給するという計画を提案した。

2017年3月22日、研究チームは学術誌「Advanced Functional Materials」に「エネルギー自律型、柔軟かつ透明な触覚皮膚」と題した論文を発表しました。

当時、研究チームは次のように述べていました。

バッテリーのみで駆動する他の素材と比較すると、このタイプの電子スキンは、有線電子機器のように動きが制限されることなく、より長く動作します。

3年後、英国グラスゴー大学の研究チームは太陽光を利用することで電子皮膚のバッテリー寿命を飛躍的に延ばすという画期的な成果を達成した。

3年後、電子皮膚は新たな進歩を遂げた

少し前に、英国グラスゴー大学の研究チームが「タッチセンサーなしで固有の触覚感知を備えたエネルギー生成電子皮膚」と題する論文をIEEE Transactions on Roboticsに発表しました。

論文のタイトルからだけでも、チームが設計した電子スキンはタッチセンサーを搭載しておらず、完全に「自己駆動型」であることがわかります。

3年前、研究チームはグラフェン製の光センサーを追加することで電子皮膚のバッテリー寿命を改善した。論文ではまた、太陽光発電モジュールが十分な太陽光を得られるための重要な要素は透明なタッチセンサー層の使用であることも示されている。

この方法に基づくと、電子皮膚は低エネルギーとなり、1平方センチメートルあたり20ナノワットのエネルギーしか必要としなくなり、これは年間で最も低グレードの太陽電池と同等になります。

当時、グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部の曲げられる電子機器およびセンシング技術グループの共著者であるラビンダー・ダヒヤ氏は次のように述べました。

私たちの次の計画は、研究全体と義肢の自動運転をサポートするための発電技術について徹底的に研究し、完全に自己発電型の義肢を作成することです。

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過去3年間、研究チームがまず「足し算」をし、次に「引き算」を行い、最終的に電子皮膚の自己給電を実現したことは容易に想像できます。

電子皮膚と太陽電池が出会うとき

では、その自己エネルギー供給の原理は何でしょうか?

論文によれば、多数のセンサーと読み出し電子機器が連続的に稼働する電子皮膚のエネルギー要件を満たすのは困難だという。そこで研究チームは、タッチセンサーを必要としない、触覚を内蔵した自己発電型電子皮膚（以下、eSkin）を初めて提案しました。

eSkin は、柔らかい弾性基板上に分散配置されたマイクロ太陽電池と赤外線発光ダイオード (IRLED) で構成されています。これらの太陽電池は、自ら電気を生成するだけでなく、追加のエネルギーを生成し、タッチや近接感知のための触覚機能も提供できると考えられています。 eSkin は、太陽電池と発光ダイオードからのエネルギー出力の変化を読み取​​ることで、距離や物体の位置などの複数のパラメータを感知できます。

具体的な原理は、光にさらされると太陽電池がエネルギーを生成します。バッテリー（または eSkin）が近くにある物体によって遮られている場合、バッテリーが物体に接触すると、光の強度（つまり、生成されるエネルギー）がゼロになり、eSkin がタッチを確認します。

この場合、eSkin が受信する光の強度は、eSkin と物体間の距離に大きく関係します。ラビンダー・ダヒヤはこう言います。

光の強度をリアルタイムで比較し、キャリブレーションを行うことで、eSkin と物体間の距離を判定できます。

このアイデアが実現可能かどうかを検証するために、研究チームは 3D プリントされたロボット ハンドに eSkin を取り付け、環境との相互作用を記録しました。下の画像の下部には、eSkin で覆われたロボット アームの 3 つのサブシステム (下から上に、エネルギー管理、センシング、駆動) が示されています。

研究チームは、手のひら部分だけで383.6mWのエネルギーを生成できることを発見した。彼らは、eSkin が体全体（約 1.5 平方メートルの面積）を覆うと、eSkin は 100 W を超える電力を生成できると考えています。

下の図に示すように、eSkin は、接近するさまざまな物体の位置特定、エッジ検出、3D 形状推定を実行できます。

それだけでなく、彼らは eSkin を産業用ロボットアームに適用し、人間と機械の相互作用が安全に実現できることを発見しました。

この画期的な進歩について、ラビンダー・ダヒヤ氏は、本質的には、大面積の電子皮膚に電力を供給する方法という問題を、電子皮膚をエネルギーを生成できるリソースに変換するというチャンスに変えたと述べた。

研究チームは、ロボット工学の分野に加えて、材料統合型センシング機能を備えた eSkin の将来の潜在的な用途もいくつか想定しています。

• 義肢に関しては、eSkin は他の電子スキンに比べて軽量であるため、最適な重量とサイズの義肢を製造するのに役立ち、義肢ユーザーにとって便利です。

• 脳コンピューターインターフェースの観点では、eSkin は脳コンピューターインターフェースでよく見られる時間遅延の問題を効果的に軽減できます。

• 自動化の分野、特に電気自動車やインタラクティブカーでは、eSkin で覆われた自動車は近距離検知能力に優れているため、接近する障害物や歩行者を簡単に「見る」ことができます。

• ゲームに関しては、eSkin はジェスチャー認識制御にも使用できます。