中国と米国の研究者らが、室温で人の肌に直接センサーを印刷する方法を開発した。
この工程では、センサーの金属部品同士を結合させる新しい層を用いることで、人の肌に直接設置できるようにしている。
このセンサーは、ウェアラブル技術に比べて、より高精度で快適な代替手段となり得る。
研究者らは、加熱を用いずに人の肌に直接センサーを印刷する方法を開発した。
ウェアラブルセンサーは、腕時計や電極から、より高精度な生体計測と使用者にとっての快適性を実現する曲げ可能なデバイスへと進化しつつある。
「本稿では、身体に装着するセンサーの直接印刷を可能にする新しい焼結補助層を用いた、単純でありながら普遍的に適用可能な製造技術を報告する」と、中国のハルビン工業大学の研究者であり、ペンシルベニア州立大学工学科学・力学部のHuanyu “Larry” Cheng氏の研究室にも所属するLing Zhang氏は述べている。Zhang氏は、この研究の筆頭著者であり、研究成果は『ACS Applied Materials & Interfaces』に掲載された。
ウェアラブルセンサーの低温化
研究者らは以前、ウェアラブルセンサーに使用するフレキシブルプリント基板を開発していたが、センサー内の金属部品の接合工程が、肌への直接印刷を妨げていた。肌。焼結と呼ばれるこの工程では、通常、センサー内の銀ナノ粒子同士を結合させるために約572°F（300°C）の温度が必要となる。
「明らかに、肌の表面はこれほど高い温度には耐えられない」とCheng氏は述べる。「この制約を回避するため、肌を傷つけず、より低い温度で材料の焼結を助けることができるものとして、焼結補助層を提案した」。
混合物にナノ粒子を加えることで、銀粒子は約212°F（100°C）というより低い温度で焼結する。
「これは衣類や紙へのセンサー印刷には使えるので有用だが、肌の温度でもまだ高すぎる」とCheng氏は述べ、約104°F（40°C）でも皮膚組織は火傷を起こしうると指摘した。「補助層の配合を変え、印刷材料も変えたところ、室温で焼結できることがわかった」。印刷に用いる材料を変えたところ、室温で焼結できることがわかった。」
室温焼結補助層は、剥がせるフェイスマスクの主成分であるポリビニルアルコールのペーストと、卵殻に含まれる炭酸カルシウムからなる。この層は印刷表面の粗さを低減し、電気機械的機能を維持しつつ曲げ・折り畳みが可能な、極薄の金属パターン層を実現する。センサー印刷時には、研究者らはインクの溶媒として使われる水分を除去するため、冷風に設定したヘアドライヤーのような送風機を使用する。
「成果は極めて大きい」とCheng氏は述べる。「焼結のために熱に頼る必要がなくなった」。
健康モニタリング用の身体装着型センサー
Cheng氏によれば、このセンサーは体温、湿度、血中酸素濃度、心臓の働きを示す信号を、正確かつ継続的に取得することができる。
研究者らはさらに、身体装着型センサーを無線送信機能を備えたネットワークに接続し、進行中の複数の信号の組み合わせを監視できるようにした。
Cheng氏によると、この工程は環境にも配慮したものだという。このセンサーは数日間にわたりぬるま湯の中でも安定性を保つが、熱いシャワーを浴びると容易に剥がすことができる。
「剥がしてもデバイスは損傷しないため、リサイクルが可能だ」とCheng氏は述べる。「さらに重要なのは、剥がしても肌を傷つけないことだ。これは、高齢者や乳児のように敏感肌の人にとって特に重要だ。このデバイスは、使用者や環境に余計な負担をかけることなく、有用な役割を果たすことができる」。
次に研究者らは、必要に応じて特定の用途に合わせてこの技術を改良する計画だ。例えば、COVID-19に関連する特定の症状を監視するために配置された、精密な身体装着型センサーネットワークなどが挙げられる。
その他の共同研究者は、ハルビン工業大学、北京理工大学、およびペンシルベニア州立大学材料科学工学科に所属している。
本研究は、ペンシルベニア州立大学、米国国立科学財団、米国化学会石油研究基金、深圳市科学技術プログラム、深圳市工業和情報化局、そして中国国家自然科学基金から支援を受けた。
出典：ペンシルベニア州立大学
