手首の脈動でも発電する――柔軟で耐水性を備えたバイオエレクトロニクス向け発電デバイス

Image credit: Jun Chen

カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の研究チームは、手首の脈動といったわずかな動きも利用して自己発電する柔軟なバイオエレクトロニクスデバイスを開発した。汗や水にも強く、着用型または埋め込み型の発電機や医療センサーとして利用できる。研究結果は、2021年9月30日付の『Nature Materials』に掲載されている。

人間の体の動きを利用して発電するウェアラブルデバイスについては、現在、実用化に向けた試みが続いている。しかし、静電気を利用するデバイスは発電量が足りず、湿度の影響も受けやすい。磁気を利用したデバイスもあるが、硬い金属を使うため、柔軟性に乏しいという課題がある。

研究チームは、磁石のひずみに応じて磁化の方向が変化する「磁気弾性効果」に着目。そして、その効果が硬質なシステムだけでなく、柔軟なシステムにも利用可能で、微小磁石が分散した柔軟な素材を変形させると、磁場の強さが変化して電気を生じることを確認した。

研究チームが作製した磁気弾性発電機は、25セント硬貨くらいの大きさで、白金触媒のシリコーンポリマーマトリックスとネオジウム－鉄－ホウ素のナノ磁石でできている。皮膚の動きを邪魔しないように伸縮性のあるシリコーンベルトで肘に固定したところ、発生した電流は1平方センチメートルあたり4.27mAで、磁気弾性効果は同サイズの硬質金属合金デバイスよりも4倍高いことが分かった。さらに、耐水性も高く、人工的に作った汗に1週間浸しても、十分に動作していた。

「我々の技術が独創的なのは、デバイスが人の皮膚に押し付けられたときも、人々が気持ちよく伸びたり動いたりできる点だ。そして、電気ではなく磁気に依存しているので、湿気や着用者自身の汗はデバイスの有効性に影響しない」と、研究リーダーのJun Chen助教授は語る。

感度が非常に高く、ひじの動きだけでなく手首のわずかな脈動も電気信号に変換できるため、自己発電する防水型心拍計にも応用できる。発生した電気を、汗や体温を検知するセンサーなど他のウェアラブルデバイスに持続的に供給することも可能だ。人間主体でIoTに接続できる実用的なエネルギー、センシング、治療学の技術に関して新しい道を開くと、Chen助教授は期待を寄せている。

手首の脈動でも発電する――柔軟で耐水性を備えたバイオエレクトロニクス向け発電デバイス