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極薄のスキン圧力センサーで指がモノに触れたときの接触圧を計測 ~敏感な指先に直接貼り付けても皮膚感覚に影響がないことを実証~

 東京大学と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年11月20日,東京大学大学院工学系研究科の李成薫講師,横田 知之准教授,染谷 隆夫教授らを中心とした研究チームが,ミュンヘン工科大学のSae Franklin博士,David W. Franklin教授,Gordon Cheng教授らと共同で,皮膚に直接貼り付けて使用する極薄のスキン圧力センサーを開発した,と発表した.このスキン圧力センサーを指先に装着することで,皮膚感覚に影響を与えずに,指がモノに触れたときの接触圧を正確に計測することに成功した.本研究は,JST未来社会創造事業探索加速型(本格研究ACCEL型)等の支援を得て進められ,成果は米国学術誌Scienceに掲載された(注).また海外ナノテクサイトNanowerkも本発表を紹介している.

 ウェアラブルデバイスやIoTなどの発展に伴い,人の行動履歴,健康状態などを収集,解析することが可能になりつつある.特に,腕や指の行動を正確に計測しデジタル化することは医療や介護,スポーツ,神経工学などの幅広い分野で利用されている.指の動きは,指先に貼った圧力センサーで捉えられるが,指先の皮膚感覚は数μm厚の高分子フィルムやゴムシートのセンサーを貼っただけでも変化してしまうため,指先でモノを掴む力が自然な状態とは異なってしまう.皮膚感覚に影響しないように薄くするとセンサーが壊れやすくなり,指をこするような摩擦やせん断応力により電気的機能が劣化する.

 そこで,本研究グループは,指先に貼り付けても皮膚の感覚に影響を与えない極薄のスキン圧力センサーの開発に挑戦した.センサー作製には電界紡糸法で形成されるナノメッシュ層を4層重ねる.下部電極層と上部電極層には水溶性のポリビニルアルコール(PVA)ナノファイバーに金の薄膜(100nm)を蒸着したナノメッシュを用い,その間の中間層にはパリレン薄膜(200nm)をコートして強化したポリウレタンナノファイバー,上部電極の上には,2.5μm厚のポリウレタンナノファイバーにPVAナノファイバー水溶液を含侵させた保護層を設けた.各層は霧状の水分でPVAナノファイバーの一部を溶解することで接合され,センサー厚みは12μmである.

 作製したセンサーを指先に装着して,指がモノに触れたときの接触圧力を計測したところ,高い感度(0.141kPa-1)で計測することができた.次に,18名の被験者に対して感覚への影響の評価試験を実施した.手袋などを装着して皮膚感覚が鈍くなると,モノを持ち上げたり保持したりする際の把持力は,大きくなる.ところが,開発したスキン圧力センサーを指先に貼り付けても,貼り付けていない場合に比べて,把持力は上昇せず,皮膚感覚の変らないことが確かめられた.さらに,センサーの表面を100kPaの力で300回擦った前後の圧力センサーの感度の低下は5%以下で機械耐久性は従来に比べ著しく向上していた.

 開発したセンサーは,外科手術医師や職人などの繊細な指の圧力の計測,スポーツ,医療,神経 工学などの分野に,今後応用されることを期待している.

(注)Sunghoon Lee, Sae Franklin, Faezeh Arab Hassani, Tomoyuki Yokota, Md Osman Goni Nayeem, Yan Wang, Raz Leib, Gordon Cheng, David W. Franklin, and Takao Someya, "Nanomesh pressure sen-sor for monitoring finger manipulation without sensory interference", Science, 20 November 2020: Vol. 370, Issue 6519, pp. 966-970, DOI: 10.1126/science.abc9735