科学レポート：ETHチューリッヒがセンサーを内蔵した3Dプリントインソールを開発

この投稿はCoco Bearによって2023-3-26 18:05に最後に編集されました。

はじめに: より正確でパーソナライズされた健康モニタリング技術に対する臨床需要が高まるにつれ、付加製造されたウェアラブルデバイスの継続的な開発が必要になっています。積層造形用の材料の範囲は拡大し続けていますが、材料、設計、デジタル製造方法を統一されたワークフローに統合することは依然として困難です。

2023年3月、アンタークティックベアは、チューリッヒにあるスイス連邦工科大学の研究者が、あらゆる活動中に靴底にかかる圧力を測定できる統合センサーを備えた3Dプリントインソールを開発したことを知りました。彼らの研究は、「埋め込みセンサーを備えたパーソナライズされたフットウェアのデジタル製造」というタイトルで Scientific Reports に掲載されました。

この研究では、研究者らは、圧電抵抗センサーが埋め込まれたシリコンベースのソフトウェアラブルデバイスを総合的に製造するための 3D プリントプラットフォームを提案しました。セルロースナノクリスタルとカーボンブラックフィラーを含むシリコンベースのインクが開発され、直接書き込み3D印刷技術を使用してインソールを作成するために使用され、法線力とせん断力を測定できるセンサーが封入されています。

●望ましい足底圧を実現するために材料特性を微調整することで、患者に合わせてカスタマイズされたインソールが室温で完全に 3D プリントされ、身体活動中の歩行力をその場で測定します。
●さらに、デジタルアプローチにより、特定のユーザーのニーズに合わせてセンサーの配置を迅速に調整できるため、複数の迅速な反復でインソールを改良することができます。
●開発された材料とワークフローにより、健康モニタリング用の新世代の完全 3D プリントソフト電子デバイスが可能になります。

研究内容

インク配合<br /> 適用可能なインク材料は、提案されたデジタル製造プラットフォームに従って調合されました。研究者らは、DIW の必要なレオロジー挙動に適合し、機能センサーと機械的に調整可能な構造を印刷できるインクのセットを準備しました。

研究者らのインク配合は市販のシリコーンエラストマーをベースにしており、これに 2 種類の機能性充填粒子が配合されています。
●まず、表面改質セルロースナノクリスタル（CNC）を構造充填剤として使用し、インクのレオロジー特性とインソールの荷重支持部分の機械的応答を変更しました。ナノセルロースはメチルトリメトキシシラン (MTMS) で官能化され、シリコーンに対する表面親和性を高め、ベースエラストマーとの混合を容易にしました。

●次に、レオロジー最適化されたシリコーンにカーボンブラック粒子の形の機能性充填剤を組み込み、インソールセンサーの圧電抵抗素子を印刷しました。これらの導電性フィラー粒子は、シリコンベースの複合材料内でパーコレーションネットワークを形成し、外力が加えられたときに電気抵抗が変化すると予想されます。改良された CNC をシリコンマトリックスに組み込むことで、インクのレオロジー特性と硬化後の印刷物の機械的応答を調整することができました。

● レオロジー挙動の観点から、CNC 濃度が 5.0% (w/w) を超えると、インクは流体から粘弾性材料に変化します。硬化したインクの機械的特性も CNC の存在によって大きく影響されます。引張試験の結果、CNC 粒子のネットワーク形成能力により、純粋なシリコンと比較して、強度と剛性がそれぞれ 2 倍と 5 倍に増加することが示されました。

●CNC を追加することで、インクのレオロジー特性と剛性を変更できるだけでなく、異方性の機械的応答も得られます。ノズルからの押し出し時に材料が受けるせん断力と伸張力により、細長い CNC 粒子は与えられた流れ方向に沿って整列し、異方性の微細構造と特性を持つ印刷ラインが生成されます。また、印刷中に押し出し機の動きのパターンを決定するだけで、印刷されたインソールの強度をさらに高める機会が得られます。インクの配合に加えて、グリッド型構造の印刷ラインの密度を変えることで、印刷部品の機械的特性も簡単に調整できます。研究者らは、充填係数を 25 パーセントから 100 パーセントに増やすと、メッシュの圧縮剛性が 3 MPa から約 8 MPa に増加することを発見しました。

センサー性能<br /> 研究者らは、上記の材料と印刷システムを使用して、柔軟なインソールに組み込んで歩行を監視できる法線力およびせん断力センサーの設計を開発しました。シンプルなひずみゲージ設計のセンサーは、5.0% (w/w) CNC を含む構造インクで印刷された基板上に 4.0% (w/w) カーボンブラックを含む圧電抵抗インクを DIW 印刷することによって製造されました。通常の圧力検知は、2 つの平行な銀電極上に配置された長方形の圧電抵抗素子を使用するセンサー構成によって実現されます。このセンサーの動作原理は、通常の圧縮によって生じる引張歪みによってセンサーの縦方向の導電経路に沿った抵抗が増加することに依存しています。せん断力を測定するために、研究者らは、平行に配置された 2 つの圧電抵抗素子からなる 2 番目のセンサー構成を使用しました。この設計では、2 つの要素間の抵抗の差を使用して、適用されるせん断力を定量化します。シェブロン形状の圧電抵抗素子を使用すると、一方向に機械的コンプライアンスが導入され、反対方向に抵抗が導入され、同じせん断力下で 2 つの素子間にひずみ差が生成されます。すべてのセンサーにはひずみゲージに突起があり、より頑丈な構造インク (12.5% (w/w) CNC) で印刷されているため、力の伝達がより効率的かつ一貫しています。（詳しくは原文をダウンロードしてください）

結論● 研究者らは、人間の歩行の通常圧力とせん断圧力のモニタリングに適した圧電抵抗センサーを統合した、完全に 3D プリントされたインソールの製造のための機能性インクを開発しました。

●インソールの患者固有の位置にセンサーを配置することで、歩行状態を識別し、数値化することが可能となります。

●原料は容易に入手可能であり、デスクトップの押し出しベースのプリンターを使用して室温で処理できるため、この製造プラットフォームはコスト効率に優れ、整形外科施設に簡単に導入でき、医師や整形外科の専門家が現場でインソールを調整できます。

●さらに、インク配合に使用されるシリコーンの生体適合性により、製品のコスト効率が向上します。
オリジナル記事のダウンロードリンク: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0

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