Nature サブジャーナル: 3D プリントされた柔軟なワイヤレス熱センサーは、より広い温度範囲で正確な監視を実現できます

はじめに: 熱センサーは最も基本的なセンサーの 1 つであり、産業、環境、生物医学のアプリケーションで広く使用されています。しかし、DC 正温度係数サーミスタの抵抗応答を読み取る従来の方法では、広範囲温度センサーとしての応用が妨げられていました。
2024年1月23日、南極熊は、グラスゴー大学、サウサンプトン大学、ラフバラー大学の研究者がマイクロ波と3Dプリント技術を利用して革新的なフレキシブル感熱センサーを開発したことを知りました。このセンサーは、柔軟で伸縮性のある短炭素繊維で作られており、ポリジメチルシロキサン複合材料と組み合わせることで、より広い温度範囲を監視できます。サーミスタは 3D プリントの温度測定に広く使用されていますが、このサーミスタは無線周波数 (RF) をサポートしている点でユニークです。さらに、RF 信号自体も温度によって変化し、RF ベースの読み取り値によって、数十年にわたって存在してきたサーミスタの感知範囲の制限を克服できます。

関連研究は、「直接ワイヤレス無線周波数インターフェースを備えた広範囲ソフト異方性サーミスタ」という論文で、Nature Communications 誌に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-44735-z#Sec2
この温度センサーは、それ自体に優れた機能を備えており、独自の電源を必要とせずに外部ユニットと通信して正確な温度測定を実現します。この特性はセンサーの柔軟性によって補完され、機能を維持しながら曲げたり伸ばしたりすることができます。驚くべきことに、このサーミスタは 30°C から 200°C を超える範囲の温度を測定でき、従来のサーミスタに比べて適用範囲が大幅に広がります。この広い温度範囲はセンサー製造において大きな利点をもたらします。このセンサーの汎用性により、複数のセンサーの代替として、または従来のサーミスタに通常は適さない環境での使用として、潜在的な用途が示唆されます。

△ RFをサポートする本質的なワイヤレス温度センシング。 a 温度変調アンテナにおける APMC PTC のセンシングアプリケーションの図。b サーミスタを基板として使用した伝送線路とアンテナの回路モデル。アンテナから放射される温度依存の電力密度を示しています。c サーミスタの抵抗応答と DC および RF 読み取り値の検出範囲の図。d、e 低温と高温でのサーミスタベースのアンテナ周辺の RF 電力フローのシミュレーション。
デバイスの物理的な寸法も 3D プリントによって変更できます。研究者らは、センサーの形状をさまざまな形に変えることができることを実証し、電子機器やその他の機器への統合の可能性を高めました。さまざまな領域に合わせて形状を調整し、形状効率を向上させるこの機能により、より剛性の高い従来の形状センサーと比較して、このセンサーがより頻繁に使用されるようになる可能性があります。
「センサーは、アナログの世界とスマートデバイスをつなぐ主要なインターフェイスです。温度や湿度などの測定値の実際の変化をワイヤレススマートデバイスに伝えるには、まずこれらの測定値をデジタル化する必要があります」と、論文の主執筆者である Mahmoud Wagih 氏は述べています。「私たちは、一般的なシリコンとカーボンファイバーを使用して、簡単に任意の形状に成形できるシンプルな柔らかい複合材料を設計しました。これらの皮膚のような基板を使用して、温度変化に非常に敏感な信号を放射する大面積アンテナを設計できます。多くの研究者が、液体の配合、温度、湿度、その他の物理的および化学的パラメータを測定するために、無線周波数およびマイクロ波デバイスを使用しています。しかし、このレベルの感度はこれまで実証されていませんでした。」
マフムード・ワギフ氏のチームが開発したセンサーは、柔軟性と耐久性で知られるポリジメチルシロキサン（PDMS）と短鎖炭素繊維でできている。この組み合わせにより、センサーは特定の形状に適応できるだけでなく、より幅広い分野で使用できるようになります。温度センサーとしても機能するほか、携帯電話のケースの一部となるなど、日常の物品に組み込むことも可能です。また、より大きなマットに編み込んで、土壌の温度変化を監視することもできます。センサーは衣服に埋め込んだり、炭素繊維強化プラスチック部品（CFRP）に埋め込んだりすることができます。これにより、広範囲にわたる温度センサーのネットワークとして機能することが可能になり、ドローンの翼全体を監視するなどの用途に最適です。この繊維は、1,000 回以上伸ばしたり、20,000 回以上曲げたりしても機能し続けます。

この熱センサーは、幅広い用途と一見シンプルな構造を備えていることから、商業的に実現可能な製品として大きな可能性を秘めています。これらの部品を大量生産できれば、単一の生産ラインでこれらのセンサーを大量に生産できるようになり、効率的な製造プロセスが実現します。 3D プリントやその他のテクノロジーによって実現される適応性により、これらのセンサーはさまざまなデバイスやシナリオに合わせてカスタマイズできます。大量生産と 3D プリントによるコスト効率の高いカスタマイズの融合により、このセンサーはさまざまなシナリオやアプリケーションにわたって適応性が高く実用的なソリューションになります。

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