3Dプリント人工繊毛アレイ：カスタマイズ可能な機械感知のための多目的ツール

出典: iAcademic iResearch

機械センサーは、電子皮膚（e-skin）アプリケーションや低侵襲手術においてロボットが環境刺激を検出するために不可欠であり、圧力、気流、温度、湿度の変化を感知し、表面トポロジーをマッピングし、ほこりや破片に素早く反応することを可能にします。生理的な繊毛構造は、ストレスがかかるとねじれる毛のような構造と、このねじれを感知する神経細胞（樹状突起）の 2 つの部分から構成されます。この組み合わせにより、繊毛構造は周囲のわずかな変化に対して極めて敏感になります。したがって、繊毛機械センサーの柔軟性により、空気や水の流れの検出からロボットが配置されている環境の識別まで、幅広い用途が可能になります。現在の人工繊毛ベースのセンサーは、圧電抵抗、静電容量、および磁場感知メカニズムに依存しています。圧電抵抗センシングとは、空気や液体の流れの影響などの物理的外乱によって繊毛が曲がると、圧縮や歪みに応じて基板の導電性が変化するという事実を指します。磁気センシングでは、磁気的に分極した繊毛を使用します。繊毛が曲がると、磁気センシング基板によって検出できる漂遊磁場が発生します。これらの微小繊毛の製造には、通常、テンプレート微小電気機械システム、自己組織化、繊毛牽引、レーザー焼結印刷などの方法が採用されます。

エラストマーに繊毛のような突起を組み込むことで環境応答が可能になり、センサーが周囲と相互作用して移動できるようになります。電子皮膚ベースの機械センサーの性能を向上させるには、i) シンプルで多用途な感知メカニズム、ii) 拡張性とカスタマイズ性、iii) 感知の直線性という 3 つの重要な側面を考慮する必要があります。しかし、既存のセンシングメカニズムは、触覚、空気の流れ、液体の流れのセンシングなど、特定の対象アプリケーションに限定されることがよくあります。接触抵抗ベースのセンシング方式には、多機能センシング、低動作電圧、シンプルなデバイス構造などの利点があります。この方法では、ソース電極に接続された繊毛が刺激されて曲がり、ドレイン電極に接続された繊毛と接触すると、電極間の電流が変化します。このメカニズムにより、センサーの 2 つの動作モードが可能になります。1 つは、動く繊毛が静止した基質と相互作用する動的モード、もう 1 つは、外部要因によって静止した繊毛が偏向する静的モードです。この繊毛間接触方法はスイッチのように機能し、刺激が特定の閾値を超えると、電流が初期の「オフ」状態から「オン」状態に移行します。この機能は、刺激が閾値を超えた瞬間を正確に検出する必要があるアプリケーションで特に役立ちます。このスイッチ検知機構はシンプルなため、空気の流れ、液体の流れ、触覚検知などの単一のアプリケーションを超えて適用できます。これは、ほこりや気流などの機械的刺激に同時に反応できる人工まつげなどのバイオエレクトロニクスに応用できます。また、液体や乾燥環境での触覚センシングや、空間を探索するために動的センシングが必要で、近くの刺激を感知するために静的センシングが必要な場合にも応用できます。

研究結果<br /> バイオインスパイアされた繊毛機械センサーは応答速度が速く、幅広い産業、環境、生物医学の用途に適しています。期待はあるものの、多機能性、拡張性、カスタマイズ性、検知直線性を備えたセンサーの開発は、複雑な検知メカニズムと製造方法が関係するため、依然として困難です。この目的のために、米国バージニアコモンウェルス大学の Daeha Joung 教授らは、高い導電性と製造の容易さを備えた高アスペクト比のポリカプロラクトン/グラフェン繊毛構造を使用して、これらの課題に取り組みました。これらの 3D プリント構造には「繊毛接触」感知機構が提案されており、これによりセンサーがスイッチのように機能できるようになり、感度が大幅に向上し、検出の曖昧さが軽減されます。繊毛構造は、機械的に堅牢でありながら、厚さ、高さ、間隔、配置など、高度にカスタマイズ可能です。センサー設計のシンプルさにより、空気や水の流れの監視、点字の検出、破片の識別など、さまざまなアプリケーションで高感度検出が可能になります。結論として、導電性繊毛に基づく提案された独自のセンシング機構にはいくつかの利点があり、インテリジェントロボットや人間の義肢における複数のセンシング機能と柔軟な電子皮膚アプリケーションの開発を促進します。関連研究は、「3Dプリント人工繊毛アレイ：カスタマイズ可能な機械感知のための多用途ツール」というタイトルで、Advanced Science誌に掲載されました。

画像とテキストのガイド

図 1. 印刷方式と検知機構の概略図。
図 1. a) レオロジーを使用して、硬化プロセス中の 4 つの PCL 複合材料の粘度を測定しました。これらの複合材料は、硬化プロセスが完了すると、粘度がほぼ直線的に増加し、その後、漸近的に平坦になります。硬化時間とそれに対応する粘度は、PCL 濃度とともに増加します。b) 導電性とヤング率は、グラフェン濃度の増加とともに増加し、複合材料がより硬く、より導電性が高くなることがわかります。c) PCL (グラフェン濃度 0%)、PCLG1 (3.5%)、PCLG2 (6.5%)、PCLG3 (8.5%)、PCLG4 (10.5%) の接触角。センサー内の繊毛の濡れ性は、水や湿気の多い環境での用途に合わせてグラフェン濃度で調整できます。d) PCLG 複合材料の SEM 画像。表面粗さはグラフェン濃度の増加とともに著しく増加し、グラフェンの体積分率が高い濃度で、全体的な円筒形が最もよく保持されます。
図 2. 繊毛とセンサーの特性。
図 3. 繊毛の曲げに対するオイラー・ベルヌーイの梁理論による解析。
図 4. 動的センシングアプリケーション。
図 5. 静的センシングアプリケーション。
要約と展望<br /> 著者らは、人工の導電性繊毛をモデルにした繊毛間接触機械感知のメカニズムを紹介しています。このメカニズムは、グラフェン-PCLナノ複合インクを使用し、押し出し法によってインクを高アスペクト比の繊毛アレイに3Dプリントし、これらのアレイの応答性の高い電気特性を利用してさまざまな刺激を検出します。有限要素解析と実験結果を組み合わせて、線状圧力と外部点力が加えられたときの繊毛の物理的曲げ特性を説明します。再現性テストでは、繊毛の構造と応答性が非常に一貫性があり、耐久性があることが示されました。繊毛は優れた靭性を示し、30°曲げた後でも元の曲がっていない位置に戻ることができました。繊毛は空気と水の両方で高い流速に耐えることができ (それぞれ最大 57 ms-1 と 240 mms-1)、水性腐食に対する耐性を示し、複数の周期的な負荷の下で安定した性能を維持しました。このメカニズムの主な利点は、拡張性、カスタマイズ性、汎用性であり、磁気や圧電性に基づく他の機械感知繊毛センサーとは異なります。このメカニズムの曲げられる導電性繊毛は、接触と分離の 2 つの状態を取ることができます。したがって、繊毛センサーは、表面トポロジーの変化、空気の流れ、水の流れ、2 つの表面の相対的な動きなど、これら 2 つの状態を区別するあらゆる刺激を検出できます。この汎用性は、特殊な圧力センサーや空気流量センサーに比べてコスト効率が高く、拡張性に優れています。

将来的には、3D プリント技術を使用してこのプロジェクト用に患者固有のカスタム設計を作成し、パーソナライズされた医療とモニタリングを可能にすることができます。繊毛ベースのセンサーは点字を動的かつ正確に読み取ることができ、視覚障害者やロボット工学にとって非常に貴重なものとなる可能性があります。さらに、ゴミを感知して除去を開始するインプラント繊毛まつげは、脱毛症患者に対する効果的な治療や、敏感なカメラレンズのロボットによる保護を実現できる可能性があります。最終的に、この繊毛ベースのセンシングメカニズムは、環境研究から自動車産業、医療リハビリテーション、産業メンテナンスまで、幅広い用途で 3D プリントされた次世代の機械センシングに数多くの機会をもたらします。

文献リンク
3Dプリント人工繊毛アレイ：カスタマイズ可能な機械感知のための多目的ツール
https://doi.org/10.1002/advs.202303164

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