皮膚感覚器官にヒントを得た、自己修復機能を持つ非触覚および触覚の多機能フレキシブルセンサーを新たに3Dプリント

出典: MF High Precision

スマートウェアラブルデバイスとヒューマンコンピュータインタラクション技術の急速な発展により、フレキシブルセンサーは大きな発展の見通しを示しています。現在開発されている単機能のフレキシブルセンサーは、複雑な環境でのアプリケーション要件を満たすことができなくなります。たとえば、インテリジェントな義肢の分野では、高感度、マルチモーダル認識機能、優れた耐久性を備えたセンサーが必要です。そのため、複雑な環境における適応性、双方向性、信頼性を向上させるために、複数の信号検出を実現し、強力な耐久性を備えた多機能フレキシブルセンサーの開発が急務となっています。

従来の技術と比較して、3D プリント技術には、ミクロンからセンチメートルスケールまでの複雑な幾何学的構造を製造できるという利点があります。しかし、3Dプリント技術を用いて作製されたフレキシブルセンサーは、実際の使用時に伸びたり曲がったりするなどの機械的損傷を受けやすく、センサーの故障につながる可能性があります。研究により、センサーに自己修復能力を与えるために固有の自己修復材料を使用することで、センサーの耐用年数と耐久性を効果的に向上させ、使用コストを削減できることがわかっています。 3Dプリント自己修復センサーの研究は大きく進歩していますが、そのほとんどは多機能センシングを実現できる材料の開発と自己修復材料の機械的特性の向上に重点を置いており、複数のセンシング機能を統合したセンサーデバイスについてはさらに研究されていません。

最近、広西大学のロン・ユー教授のチームは、マイクロ圧力感知、動的近接知覚、固有の自己修復などの複数の機能を統合した新しいタイプの3Dプリント多機能フレキシブルセンサーを開発しました。このセンサーは、マルチレベルバイオニック構造の誘電体層設計と電気二重層効果 (EDL) の組み合わせを利用して、2.449 kPa-1 (<0.5 kPa) の高感度、58 ms の高速応答時間、0.5 Pa の最小検出限界、および 0.1% の超高圧分解能を実現します。また、センサーが完全に損傷した後でも、自己修復能力により、元の感度の 95% を回復できます。一方、フリンジ電界効果と相互静電容量応答の助けを借りて、センサーは7つの異なる材料を区別し、近接距離を感知することができ、最大検出距離は11cmに達します。この研究は、健康モニタリングやスマートウェアラブルなどの分野における多機能センサーの応用可能性を実証し、将来の多機能統合ロボット触覚認識の開発に新たな選択肢を提供します。

関連する研究結果は、「皮膚感覚器官にヒントを得た、3Dプリントによる新しい自己修復型、非接触型、触覚型多機能フレキシブルセンサー」というタイトルで、Composites Communicationsの最新号に掲載されました。広西大学修士課程の学生である馬光夢氏が第一著者であり、広西大学の龍宇教授が責任著者である。この研究は、広西チワン族自治区重点研究開発計画、国家重点研究開発計画、広西チワン族自治区自然科学基金の強力な支援を受けて行われました。

センサー構造の設計と準備戦略を図 1 に示します。人体の最大の感覚器官である人間の皮膚は、優れた自己治癒能力（図 1a-i）を備えているだけでなく、真皮の下に多数の神経終末があり、人体が痛み、触覚、圧力などの刺激を感知するのに役立ちます（図 1a-ii）。これにヒントを得て、表面に突起のある2層の断続構造を設計しました（図1a-iii）。マイクロコラム、半球、ピラミッドなどの従来の均質構造とは異なり、この階層構造設計により、第2層の構造が圧力の一部を分担できるため、全体の構造変形が急速に飽和することがなく、高圧下でも第1層構造が損傷から保護されます。センサーの自己修復性能は、固有の自己修復特性を持つ材料を使用することで実現され、全体は古典的なサンドイッチ形式でパッケージ化されています (図 1a-iv)。

バイオニック断続構造誘電体層は、精密投影マイクロステレオリソグラフィー (PμSL) 3D 印刷技術 (microArch® S230、精度: 2 μm) を使用して準備され、そのプロセスは図 1b に示されています。まず、固有の自己修復特性を持つ自家製の前駆溶液をプリンターの樹脂タンクに注入します。次に、デジタルモデルスライスによって生成された画像に応じて、UV光源がデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）によって変調され、405 nmのパターン化されたUV光が印刷プラットフォーム上に選択的に投影されます（図1b-i）。光開始剤 TPO は紫外線を吸収してフリーラジカルを生成し、照射された領域で前駆体溶液の重合を促し、特定のパターンに固化します。 microArch® S230 3D 印刷システムは、トップダウン印刷方式を採用しています。各層が硬化した後、印刷プラットフォームを再び特定の高さまで下げて層ごとに硬化させ、すべてのモデルスライス画像が印刷されて完全な断続構造が得られるまで続けます。

図1 デバイス構造設計と製造戦略。

圧縮時の静電容量センサーの構造剛性が増加すると、圧縮強度が増加し、圧力測定範囲が広がります。しかし、センサーの圧縮性がある程度犠牲になり、高感度と直線性の実現に根本的な影響を与えます。同時に、センサーに固有の自己修復能力を与えるために、研究チームはPEG400に塩化リチウムを溶解してイオン液体を調製し、ポリマー鎖モノマーとしてヒドロキシエチルメタクリレートHEMAとアクリルアミドAamを選択しました。水素結合、イオン配位、ポリマー鎖とPEG鎖の絡み合いに基づいて、架橋ネットワークが形成され、優れた自己修復能力（90.53％）と調整可能な機械的特性を備えたイオンゲル材料PHAEが調製されました。

図2 PHAEの機械的特性評価

PHAE は、多数の動的水素結合により、本質的に自己修復する性質を持っています。さらに、ポリマー鎖の可動性、ポリマー鎖と PEG 間の相互作用、イオンとポリマー鎖間の配位により、PHAE は優れた自己修復能力を発揮します。 Aam はエンハンサーとしても機能します。その含有量が増加すると、PHAE の自己修復効率は徐々に低下します (図 3e)。これは、架橋密度の増加により鎖の移動が制限されるためです。同時に、Cl- イオンと -NH2 間の強い水素結合の含有量が増加し、動的水素結合の全体的な割合が減少し、PHAE の自己修復能力が弱まります。最終的に、引張特性、靭性、弾性率、電気伝導性、自己修復特性を総合的に考慮し、その後の実験では PHAE-1.5 が選択されました。

図3 PHAEの自己修復性能の特性評価

触覚モードでのセンサーの感知特性は以下のように説明されます。一般的な平行板静電容量センシングとは異なり、イオン静電容量センシングは主に電気二重層 (EDL) と呼ばれるイオン-電子静電容量界面に依存します。 EDL の出現により、電極内の電子とイオンゲル内の反対電荷を持つイオンがナノメートルの距離で互いに引き合い、凝集し、超高静電容量のマイクロ/ナノスケールのコンデンサーとして現れます。したがって、センサーにわずかな圧力がかかった場合でも、EDL インターフェースの静電容量が即座に大きく変化し、感度が大幅に向上します。一方、多層バイオニックマイクロ構造誘電体層の設計により、圧力が継続して加えられると、一次構造と二次構造が交互に変形し、イオン電子対の接触面積が増加し、静電容量変化の直線性が確保されます。同時に、接触位置での電界強度が増加し、イオンゲル内の多数のイオンがイオン化され、電界力の作用により接触界面に急速に集まり、EDL効果が再び強化されます。この複合効果により、センサーは最小圧力 0.5 Pa を検出でき、58 ms の高速応答時間と 0.1% の超高圧分解能を示します。

図4 多機能センサーの圧力検知モード。

センサーの近接検知メカニズムは、平行板コンデンサのフリンジ電界の摂動（エッジ効果）と相互容量効果の結合から生じます。このモードには、センサーの内部静電容量と外部静電容量（手のひらと上部の電極間、身体は接地）の 2 種類の静電容量が含まれます。センサーに近接する手のひらは接地電極として機能するため、センサーの外部電界線は人体を通じて接地に分流され、コンデンサ内の関連する電界強度が低下し、コンデンサに蓄積される電荷の量が減少します。手のひらと上部の電極間の距離が短くなると、両方の電極から電荷が流れ出し、センサーの外部静電容量が増加し、内部静電容量が減少します。異なる材料は誘電率が異なるため電荷蓄積容量も異なるため、異なる材料はフリンジ電界を乱す能力も異なることに留意する価値があります。上記の原理に基づき、センサーは近接検知モードで 7 つの異なる材料を検知および区別することができ、最大検知距離は 11 cm、最大感度は 0.1137 cm-1 です。

図 5: センサー近接モード。

要約すると、このセンサーは優れた圧力および近接検出機能を備えており、微小な気流の変化の検出 (図 6a) や、肘関節の活動をリアルタイムで監視できるウェアラブルアプリケーション (図 6b) など、さまざまなアプリケーションシナリオに適応できます。図6cは、バスケットボールが異なる速度で同じ高さでセンサーに近づき、戻ってくるまでの監視プロセスを示しています（図6c）。スマートグローブ/義肢および電子皮膚におけるセンサーの応用可能性を実証するために、センサーを研究室のニトリルグローブに統合し、ワイヤーを LCR ブリッジメーターとパソコンに接続し、グローブを使用してさまざまな物体に近づく、つかむ、置く、離れるという 4 つの動作を実行しました。接近する物体の距離と力を検出できるため、スマートウェアラブルデバイスおよび人間とコンピューターの相互作用デバイスにおけるセンサーの応用可能性が実証されました。

図6 センサーのアプリケーションデモンストレーション。

概要: この研究では、自己修復材料と 3D プリントされた多層構造の誘電体層を組み合わせ、EDL 効果とエッジ効果を活用することで、自己修復可能な多機能センサーのカスタマイズされた高精度な製造に成功しました。多層構造の誘電体層の設計により、センサーの圧縮性が向上するだけでなく、高電圧による誘電体層の損傷も防止されます。圧力感知モードでは、センサーは優れた感知性能と良好な耐久性を発揮します。センサーが完全に遮断された場合でも、元の感度（30～200 kPa）の最大95％を回復できます。近接検知モードでは、センサーは 7 種類の異なる素材の近接を検知でき、最大検知距離は 11 cm です。最後に、この研究ではセンサーの多機能センシング特性を活用し、スマート義肢、スマートウェアラブルなどの分野への応用の可能性を改めて実証しました。今後、研究チームは触覚センシング情報と機械学習を組み合わせて、異なる種類の材質や表面形状の正確な認識を実現し、それを身体性知能（バイオニクスやヒューマノイドロボットなど）の分野に応用することを目指します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.coco.2025.102287

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