バイオニック感覚フィードバックを備えた完全に柔軟な電子皮膚システム

バイオニック感覚フィードバックを備えた完全に柔軟な電子皮膚システム
寄稿者: Li Hongyan、Lian Qin 寄稿者: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室 出典: 中国機械工学協会付加製造技術 (3D プリント) 支部

皮膚は私たちの体を保護する層として機能するだけでなく、詳細な感覚フィードバックや周囲との穏やかな相互作用も可能にします。天然皮膚の感覚フィードバックと機械的特性の両方を模倣した人工皮膚は、将来のロボット工学や医療機器にとって大きな期待が寄せられています。

米国スタンフォード大学のBao Zhenan氏のチームは、低電圧で駆動し、圧力と温度を監視し、シリアルパルス信号を出力できる伸縮性のある柔軟な電子皮膚システムを提案しました(図1A)。電子皮膚システムには、剛性の電子部品が一切なく、マルチモーダル受信、神経のようなパルス列信号調整、閉ループ作動など、生物学的皮膚の感覚フィードバック機能をシミュレートできます。


図1 フレキシブル電子皮膚システム(A)とその内部の3層誘電体(B)の概略図
電子部品は通常、硬い半導体で作られており、高電圧でしか動作できないため、ウェアラブルデバイスの利便性と安全性の面で大きな欠点となります。理想的なフレキシブル電子スキンの電子部品は、動作電圧が低く、複雑な信号調整回路を備えて構築されている必要があります。既存のフレキシブル電子デバイスでは依然として高い動作電圧 (30 ~ 100 V) が必要であり、安全性と電力消費の問題が生じます。駆動電圧を下げるにはゲート容量を増やす必要があり、そのためには誘電率の高い薄い誘電体層が必要になります。誘電エラストマーであるニトリルゴムのニトリル基の分極により誘電率は高くなりますが、ヒステリシスが大きく移動度が低いため、低い駆動電圧と高いキャリア移動度を実現することが困難です。

Bao Zhenan 氏のチームは、高誘電率ニトリルゴムを極薄の非極性ポリ (スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン) (SEBS) エラストマーコーティングで不動態化し、その後疎水性オクタデシルトリメトキシシラン (OTS) 分子で改質して比較的理想的な材料特性を実現した 3 層誘電体 (図 1B) を開発しました。通常の単層構造に比べ、キャリア移動度が約50倍向上します。この材料の優れた耐溶剤性とパターン形成特性を基に、伸縮性有機トランジスタアレイを構築し、さらに皮膚に直接作用する低電圧機能回路を集積・製造しました。この完全に柔軟な統合型電子皮膚システムは、バイオニック感覚フィードバック機能と、低い駆動電圧と高い回路複雑性という特性を備えており、皮膚プロテーゼ、人間とコンピューターの相互作用、神経ロボット技術の将来の発展に貢献します。

参考文献:
ウェイチェン・ワン他「モノリシックに統合された低電圧の柔らかい電子スキンによって具現化されたニューロモルフィック感覚運動ループ」サイエンス。2023年。https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086

バイオニックスキン

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