3Dプリントがロボットの本物の皮膚開発を支援

出典: Regenovo

【はじめに】復旦大学の呉培毅教授は、Materials Horizons誌に3Dプリント技術を用いて作製した人工皮膚を発表しました。GeneVision社が開発した生物3Dプリンターを使用し、刺激応答性ハイドロゲルの体積相変化挙動を利用して外部刺激を電気信号に変換することで、ハイドロゲルのようなバイオニック皮膚の感知機能を高め、人工皮膚の研究に非常に有望な方法を提供しました。

過去数十年にわたり、人間の皮膚の幅広い感覚機能と強い伸縮性をシミュレートする柔軟な電子デバイスが次々と登場してきました。「人工皮膚」と呼ばれるこれらのデバイスは、温度、圧力、ストレス、振動、バイオマーカーを感知し、それを定量化可能な電気信号に変換することができ、ヘルスケア、ウェアラブルデバイス、ソフトロボティクスなどの分野で新たな機会を提供します。

復旦大学の呉培毅教授は、Materials Horizons誌に3Dプリント技術を使用して作製した人工皮膚を発表しました。刺激に反応するハイドロゲルの体積相変化挙動は、外部刺激を電気信号に変換し、ハイドロゲルバイオニック皮膚の感知機能を強化し、人工皮膚の研究に非常に有望な方法を提供します。

図1. グリッドハイドロゲル材料とポリエチレン材料を組み合わせて形成された人工皮膚。「電子皮膚」は、低弾性率、高い機械的適応性、光透過率などの人工皮膚材料の要件を満たすことができないため、科学者は、生体適合性とイオン伝導性の両方を備えたハイドロゲルを人工皮膚材料として使用する「イオン皮膚」の概念を提案しました。

イオン皮膚は、生理学的および機械的特性の点で電子皮膚よりも人間の皮膚に近いですが、その感知性能には依然として欠陥があります。
ウー教授のチームが使用したPDMA-C18ハイドロゲルは、自己修復能力、曲面への順応性、圧力に対する高い感度を備えています。
研究者らは 3D プリント技術を使用してこの材料をグリッド構造のイオン伝導層にし、2 層のハイドロゲルの間にポリエチレンフィルムの絶縁層を追加してコンデンサを形成し (図 1 を参照)、イオン皮膚によって生成される電気信号を強化しました。

印刷プロセス中、ハイドロゲル材料は最初にバレル内で加熱され、1時間以上45°Cに維持され、その後、直径0.41 mmの平らな先端の針を通して6 mm/sの速度で10°Cの印刷プラットフォーム上に押し出されました。試験の結果、グリッド構造のハイドロゲルと固体構造のハイドロゲルのレオロジー特性に差はなく、人工皮膚の延性も変化しないことが分かりました。

図 2. 3D プリントで製造されたサブミリメートルのグリッド構造を持つハイドロゲル材料は、皮膚の形態変化を増幅し、人工皮膚の変形や応力を感知する能力を高める役割を果たします。
図3は、グリッド構造のハイドロゲル材料と固体構造のハイドロゲル材料によって生成される電気信号を、さまざまな刺激下で比較したものです。
1 kPa 未満の範囲では、グリッド構造ハイドロゲルの信号感度は固体構造ハイドロゲルの 5 倍です。
また、他の文献と比較すると、微細構造を含む PDMS 材料の感度のみがこのグリッド構造に匹敵します。
温度が 27°C 未満の場合は、2 つの構造によって生成される信号はほぼ同じです。ただし、温度が 27°C を超えると、グリッド構造の信号は温度とともに徐々に増加し、固体構造の 6 倍に達することもあります。
両方の実験で、3D プリントされたグリッド構造によりイオン皮膚の感知感度が大幅に向上することが実証されました。

図 3. さまざまな条件下でグリッド構造と固体構造のハイドロゲルによって生成された信号の比較。この人工皮膚が四肢の動きを感知する能力をさらに実証するために、著者らは指の関節にハイドロゲルを固定し、関節の曲がりを検出しました。この実験は、グリッド構造のハイドロゲルがより高い電気信号を生成できることを改めて証明しただけでなく、指を曲げている間に生成された電気信号は、指を伸ばした後に完全に回復し、可逆的に繰り返すことができることも証明しました。

まとめると、本研究では、3Dプリント技術を用いて格子構造のハイドロゲルを作製し、それをコンデンサ構造にすることで、イオン性皮膚材料の特性を保持し、センシング機能を高める方法を提案し、ヒューマンコンピュータインタラクションやソフトロボットに関する将来の研究手段を豊かにしました。

図 4. 人工皮膚による四肢の動きの認識。この論文では、Genefi が開発したバイオ 3D 印刷ワークステーション Bio-Architect® WS を使用して、微細構造を含むハイドロゲル材料を印刷しています。 Bio-Architect® WS は、さまざまな軸 (X/Y 軸で 1μm、Z 軸で 1μm) での高精度 3D プリントを実現でき、記事で言及されているサブミリメートルレベルの構造のプリントタスクを簡単に実現できます。

さまざまなオプションのプリントヘッドは、-25℃〜260℃の温度制御範囲でさまざまな印刷材料の温度を制御できるため、印刷材料が最適な段階で印刷され、記事に記載されているポリマーハイドロゲルなどの材料の押し出しの難しさが軽減されます。

業界独自のブースターノズルにより6MPaの高圧出力を実現し、高粘度材料の押し出し印刷を可能にします。
強力なソフトウェア機能により、印刷パスを自由に計画し、印刷する必要がある微細構造を自由に設計および調整できます。

図5. Bio-Architect® WS 生物3Dプリントワークステーション

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