人間をより人間らしくし、機械に触覚を与えましょう!電子皮膚の専門家4人の最新の成果のレビュー

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最近では「ブラックテクノロジー」という言葉を誰もが聞いたことがあるかもしれません。

百度百科事典によると、「ブラックテクノロジー」という用語は、日本の脚本家賀東招二のライトノベル「フルメタル・パニック」に由来しており、もともとは非人間が独自に開発し、既存の人間の技術よりも優れた知識を指していた。

私たちの日常的な文脈では、「ブラックテクノロジー」とは、現時点では人間が実現できない、または生産不可能なテクノロジーや製品、あるいは現実には「強力だが未知」である新しいハードウェア、新しいソフトウェア、新しいテクノロジー、新しいプロセス、新しい材料などを指します。

Zhihu に質問があります:あなたが知っている最も暗いブラックテクノロジーは何ですか?

火星移住に使えるのは「人工光合成」技術だと考える人もいれば、ナメクジにヒントを得た新しい臓器ベースの強力な止血材に投票すべきだと考える人もいれば、光の99.96%を吸収できる新素材は消えるほど「黒」と言えると考え、質問に文字通り答える人もいた。動物の皮膚を模倣した、柔軟で伸縮性があり、自己修復する電子製品「電子皮膚」には名前をつけるべきだと言う人もいた。

「電子皮膚」って具体的に何ができるんですか？

Leifeng.com は、電子スキンには 2 つの意味があることに気づきました。

まず、人工義肢、医療検査、診断において、義肢が触れる、曲げる、押すなどの動作を理解するのを補助し、義肢を装着した人が外界の真の知覚を取り戻すのに役立ちます。

これは、人工皮膚分野の「材料の巨匠」であり、化学者で、スタンフォード大学化学工学部の学部長でもあるバオ・ジェンナン氏が、電子皮膚の分野に参入した当初の意図とまったく同じである。

人間をもっと人間らしくする。

第二に、電子皮膚をロボットに適用することで、ロボットの柔軟性と拡張性が向上し、人間のように痛みに反応することも可能になります。

[中国科学院半導体研究所が開発した超薄型フレキシブル電子皮膚アレイ]

では、このブラックテクノロジーはどのような変遷を遂げたのでしょうか?現在の開発レベルはどの程度ですか?

つい最近、有名な学術雑誌「ネイチャー」の「テクノロジー特集」欄に、「電子皮膚：柔軟性から触覚へ」と題する記事が掲載され、電子皮膚の最新の発展と変革の歴史がレビューされました。

この記事は、このインベントリを要約したものです。おそらく、次の文章を通じて、この黒い技術、電子皮膚に対する私たちの理解は、より立体的なものになるでしょう。

東京大学の染谷隆夫チーム：電子皮膚の初期実践

実際、電子皮膚に関する最も初期の研究は電子書籍リーダーや曲面テレビのコンポーネントから始まったもので、これらのコンポーネントを研究した研究者は、柔軟な炭素ベースの分子やポリマーの導電性を研究する科学チームでした。

一般的に、有機エレクトロニクス分野の研究者は、ディスプレイや照明用の有機発光ダイオード、ディスプレイバックプレーンや大面積エレクトロニクス用のトランジスタ、太陽エネルギー収集用の太陽電池の研究を目指しています。ある程度、上記のデバイスはすべて、形状の柔軟性から恩恵を受けます。

いわゆる「形状の柔軟性」を実現するために、研究者たちは、今日一般的にウェアラブル電子機器と呼ばれているものに狙いを定めました。

研究者たちは2004年に初めてこれを実践し、成功しました。

当時、東京大学工学部電気電子工学科の染谷隆夫教授とそのチームが研究成果を発表しました。

論文では、チームが高性能の感圧性ポリイミドプラスチック、有機半導体ペンタセン、金と銅の電極の複数の層で構成され、32×32のマイクロ圧力センサーアレイを内蔵した8cm×8cmの柔軟なロボット皮膚パッチを開発したことが示されています。この電子スキンは、フレキシブル基板のように厚さ4mmの円筒形の棒に巻き付けても、途切れることのない電流を確保できます。

染谷隆夫氏はこう語った。

私たちはアクティブ マトリックスを採用し、フレキシブル ディスプレイ用に開発した駆動回路を作りました。これにより、ロボットにこれまでなかった触覚や圧力に反応する能力が与えられました。

翌年、染谷隆夫氏のチームは、比較的硬いポリイミドポリマーを糸に紡ぎ、それをメッシュに紡ぐことで、弾力性と快適性を備えた電子皮膚を作った。

ノースウェスタン大学のジョン・ロジャース氏のチーム：電子皮膚を使って伝染病と戦う

COVID-19パンデミックとの闘いにおいて、材料科学者も最前線に立っているとは想像しにくいかもしれない。

1995 年、アメリカの材料科学者で物理化学者のジョン A. ロジャースは、MIT で物理化学の博士号を取得しました。1997 年にベル研究所の凝縮物質物理学研究部門に加わり、その後イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校に入学して工学部の創設者となりました。

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現在、ノースウェスタン大学の材料科学・工学、生体医工学、脳神経外科の教授であるジョン A. ロジャースは、柔らかく伸縮性のある皮膚のような素材の開発に焦点を当てた研究チームを率いています。

2019年11月、ジョン・A・ロジャース氏のチームは研究結果を発表し、Bluetoothに接続できるポリマー回路デバイスを実証しました。この装置を喉の付け根のくぼみに装着することで、発話や心拍数などのバイタルサインをリアルタイムでモニタリングしたり、脳卒中患者に言語療法を提供したりすることができる。

2020年のCOVID-19パンデミックの間、このカスタム設計された電子皮膚は、米国シカゴで早期のウイルススクリーニング、病気の監視、その他のタスクに使用されました。

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実際、ジョン A. ロジャースは、ウェアラブル スキン エレクトロニクスの分野で世界で最も著名な研究者の 1 人です。ノースウェスタン大学の公式サイトによると、彼は750本以上の論文を発表し、100件以上の特許を取得した。

ジョン・A・ロジャース氏のチームの電子皮膚は、未熟児のバイタルサインやアスリートの水分補給のモニタリングなど、世界中で使用されており、ロボットに、より繊細で人間のような触覚を与えている。

ケンブリッジ大学のジョージ・マリアラスのチーム：電子皮膚を何もつけていないかのように感じさせる

ウェアラブル デバイスには 2 つの課題があります。1 つはエンジニアが化学の問題をどのように解決するか、もう 1 つは化学者がエンジニアリングの問題をどのように解決するかです。

この見解は、英国ケンブリッジ大学のバイオエレクトロニクス教授、ジョージ・マリアラス氏のものである。彼の意見では、人が動くと皮膚が伸びたり、しわになったり、曲がったりするので、電極と人との接触を維持するのは簡単ではない。電極を固定するためには、実際にはゲルを使うこともできますが、ゲルは水溶液であるため、時間が経つと乾燥してしまい、安定性に問題があります。

この目的のために、ジョージ・マリアラスのチームは、別の解決策としてイオン液体を考え出しました。

その理由は、イオン液体は室温で液体であり、ゆっくりと蒸発し、優れた電気伝導性を持つ塩で構成されているためです。

2014年、ジョージ・マリアラス氏のチームは、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムエチル硫酸塩と呼ばれるイオン液体とポリマーを組み合わせて、金電極と導電性ポリマーを保持できるゲルを作成しました。装置は3日間電気性能を維持しました。

東京大学の染谷隆夫氏のチームは、ジョージ・マリアラス氏のチームが設計した装置は汗を遮断し、空気の交換を妨げ、着用時に不快感を与えると指摘した。また、壊れやすく、長時間使用することはできない。

この目的のために、染谷隆夫氏のチームは2017年に、スパゲッティ型のポリビニルアルコール（PVA）メッシュと金の回路パターンを含む、厚さわずか300〜500ナノメートルの金繊維メッシュを使用した多孔質センサーのアイデアを提案しました。この電子皮膚は柔軟性と通気性に優れており、ユーザーはそれを装着していることさえ感じません。

スタンフォード大学のバオ・ジェンナンのチーム：体内でセンサーを機能させる

数か月前のテンセントサイエンスWEカンファレンスで、人工皮膚分野の「材料マスター」であり、有名な化学者であり、スタンフォード大学化学工学部の学部長でもあるバオ・ジェンナン氏は、人工皮膚の実現における3つの大きな課題とそれに対応する大き​​な進歩について語りました。

まず、使用される電子材料は、皮膚のように柔らかく、皮膚のように伸縮性があり、さらに自己修復可能で生分解性でなければなりません。

第二に、人工皮膚は圧力と温度を実際に感知し、さまざまな物体を繊細に感じることができる必要があります。

第三に、人工皮膚からの信号は人体と統合できる必要があります。

実は、鮑振南教授は電子皮膚の分野ではかなり有名です。

前述の専門家の研究アイデアとは異なり、彼らのチームはセンサーを作成してから皮膚に適合させるのではなく、最初から電子皮膚の柔軟性を考慮して分子アプローチを採用し、有機ポリマーと電子部品を設計しました。

鮑振南氏はこう言った。

私たちは分子レベルからそれらを設計し、皮膚のような特性が新しい素材に本来備わるようにします。

例えば、研究チームは汗のホルモン変化、特にストレスの重要な指標であり、不安やうつ病の理解に役立つコルチゾールレベルの変化を感知できるプロトタイプを開発しました。同時に、このプロトタイプは、損傷した神経の修復を助けるために人体に埋め込まれる有機電子機器の製造にも使用できます。

具体的には、バオ・ジェンナン氏のチームは、さまざまな導電性と生分解性を持つ一連のポリマーを使用して電子皮膚を作製しました。

2010年に、彼らは圧力のわずかな変化を感知して触覚をシミュレートする弾性ポリマーPDMSを使用した皮膚を開発しました。研究チームはこの技術を、ラズベリーを潰さずに優しく押すことが可能な特殊な手袋に応用した。

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それ以来、鮑振南氏はこの技術をさらに発展させ、センサーを体内で作動できるようにした。

2019年、バオ・ジェンナン氏のチームは、血管に巻き付けて手術後の血流を継続的に監視できる分解性ワイヤレスセンサーを導入した。信号（動脈を通る血液の脈動による静電容量の変化）を読み取るために、研究チームは皮膚の近くに外部コイルを取り付け、遠隔受信機に無線信号を送信した。

目標は、細胞の解像度を維持しながら、これらのセンサーで体のより多くの部分をカバーできるようにすることです。

最後に

もちろん、上記の研究結果は電子皮膚の分野における最先端の成果であるかもしれませんが、この分野における世界中の科学者の努力は決し​​てこれに限定されるものではありません。

嚢胞性線維症患者の汗のバイオマーカーのモニタリング、皮膚疾患患者の皮膚の水分補給の確認、黒色腫患者の紫外線曝露の評価、皮膚と人工器官間の圧力と温度の追跡など、これらはすべて電子皮膚が達成した画期的な成果です。

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近年、電子皮膚が急速に発展しているにもかかわらず、科学者は依然として大きな化学的、工学的課題に直面しており、次のブレークスルーが期待されていることは注目に値します。