極薄のスキン圧力センサーを開発――指先がモノに触れたときの接触圧を測定することに成功 東京大学ら

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東京大学の研究チームは11月20日、ミュンヘン工科大学と共同で、極薄のスキン圧力センサーを開発し、敏感な指先に直接貼り付けても皮膚感覚に影響を与えずに、指先がモノに触れたときの接触圧を測定することに成功したと発表した。

近年、ウェアラブルデバイスやIoT(モノのインターネット)などの発展に伴い、柔らかい電子素材を活用し、生体との親和性の高い電子デバイスを用いることで、デバイスを装着した際の装着感や人への負荷を減らし、より自然な状態で高い精度の情報を取得すること可能になってきている。特に、手袋型のセンサーを用いてさまざまな作業における腕や指の行動を正確に計測しデジタル化することは医療や介護、スポーツ、神経工学などの幅広い分野で利用されている。

しかし、センサーを装着すると本来の皮膚感覚が損なわれてしまうため、物体を通して間接的に伝わる情報や状態を計測することが課題となっている。実際に、指先の皮膚感覚は大変敏感であり、わずか数µmの高分子フィルムやゴムシートを指先に貼り付けるだけでも本来の感覚に影響を与えてしまう。また、皮膚の感覚が損なわれないように、高分子フィルムやゴムシートの厚みをさらに薄くすると、センサーが簡単に壊れやすくなるため、耐久性を確保することも課題だ。特に指をこするような摩擦やせん断応力が発生する環境において電気的な機能を維持することはさらに困難だという。

研究者らは、指先に貼り付けても皮膚の感覚に影響を与えない極薄のスキン圧力センサーの開発に成功。開発したセンサーは、電界紡糸法(エレクトロスピニング法)で形成される4つのナノメッシュ層(表面側から、保護層、上部電極、中間層、下部電極)を重ね合わせて作製される。上部と下部の電極は、水溶性高分子(ポリビニルアルコール)ナノファイバーに金の薄膜(100nm)を蒸着して形成される。中間層は、ポリウレタンナノファイバーに高分子薄膜(200nm)をコートして強化している。

さらに、非常に薄い(2.5µm)ポリウレタンナノファイバーに水溶性ナノファイバーを溶解して含侵させた保護層を用い、薄さと高い機械的耐久性を両立。 次に、スキン圧力センサーを指先に装着して、指がモノに触れたときの接触圧力を計測した。本来の皮膚感覚に影響を与えずに、高い感度(0.141kPa-1)で計測できた。

そして18名の被験者に対して、感覚への影響の評価試験も実施した。モノを持ち上げたり保持したりする際の把持力は、皮膚感覚が鈍くなるのに伴って大きくなる原理を利用して、極薄のスキン圧力センサーを指先に貼り付けた場合と貼り付けていない場合について、モノを持ち上げたり保持したりする際の把持力を比較した。その結果、スキン圧力センサーを指先に貼り付けてもモノを把持する力は上昇せず、皮膚感覚を維持できることを確かめた。

さらに、センサーはこすっても壊れない優れた機械耐久性を示した。センサーの表面を100kPaの力で300回擦った前後で圧力センサーの性能を評価したところ、感度の低下を5%以下にまで低減されていることを確かめた。

今後、本来の皮膚感覚に影響を与えずに、指や腕の力の加え方を正確に計測できることを利用し、医師や職人などの繊細な指の圧力を計測することや、スポーツ、医療、神経 工学などの分野への応用が期待される。

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