電子皮膚

電子皮膚とは、人間や動物の皮膚の機能を模倣できる、柔軟性、伸縮性、自己修復性を備えた電子機器を指します。 [ 1 ] [ 2 ]この広範な材料クラスには、熱や圧力の変化などの環境要因に反応する人間の皮膚の能力を再現することを目的としたセンシング機能が含まれていることがよくあります。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

電子皮膚研究の進歩は、伸縮性、堅牢性、柔軟性を備えた材料の設計に焦点を当てています。フレキシブルエレクトロニクスと触覚センシングという個々の分野の研究は大きく進歩していますが、電子皮膚設計は、各分野の個々の利点を犠牲にすることなく、多くの材料研究分野の進歩を統合しようと試みています。[ 5 ]柔軟で伸縮性のある機械的特性とセンサー、そして自己修復能力をうまく組み合わせることができれば、ソフトロボティクス、義肢、人工知能、健康モニタリングなど、多くの応用の可能性が開かれるでしょう。[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

電子スキンの分野における近年の進歩は、グリーンマテリアルの理想と環境への配慮を設計プロセスに組み込むことに重点を置いています。電子スキンの開発における主要な課題の一つは、材料が機械的応力に耐え、センシング能力や電子特性を維持する能力であるため、リサイクル性と自己修復特性は、将来の新しい電子スキンの設計において特に重要です。[ 8 ]

再治癒可能な電子皮膚

電子皮膚の自己修復能力は、ソフトロボティクスなどの分野での電子皮膚の潜在的な応用にとって重要です。[ 7 ]自己修復電子皮膚を適切に設計するには、ベース基板の修復だけでなく、触覚センシングや電気伝導性などのセンシング機能の再構築も必要です。[ 7 ]理想的には、電子皮膚の自己修復プロセスは、温度上昇、圧力上昇、溶媒和などの外部刺激に依存しません。[ 1 ] [ 7 ] [ 8 ]自己修復、または再修復可能な電子皮膚は、多くの場合、ポリマーベースの材料またはハイブリッド材料によって実現されます。

ポリマーベースの材料

2018年、ゾウらは、損傷した際に共有結合を再形成できる電子皮膚に関する研究を発表しました。[ 8 ]同研究グループは、図1に示すように合成されたポリイミンベースの架橋ネットワークに注目しました。この電子皮膚は、「可逆的な結合交換」により再治癒可能であると考えられています。これは、ネットワークを結合している結合が、溶媒和や加熱などの特定の条件下で切断され、再形成できることを意味します。このような熱硬化性材料の再治癒可能で再利用可能であるという点は、多くの熱硬化性材料が共有結合を介して不可逆的に架橋ネットワークを形成するため、他に類を見ないものです。[ 9 ]このポリマーネットワークでは、治癒プロセス中に形成された結合は、元のポリマーネットワークと区別がつきません。

図1. ポリイミン系自己修復電子皮膚の形成のための重合スキーム

動的非共有結合架橋もまた、再修復可能なポリマーネットワークを形成することが示されています。2016年、Ohらは有機トランジスタ用の半導体ポリマーに着目しました。[ 10 ]彼らは、2,6-ピリジンジカルボキサミド（PDCA）をポリマー骨格に組み込むことで、基間に形成される水素結合ネットワークに基づく自己修復能力を付与できることを発見しました。PDCAをポリマー骨格に組み込むことで、材料はマイクロスケールの亀裂の兆候を示すことなく、最大100%のひずみに耐えることができました。この例では、ひずみが増加するにつれて、水素結合がエネルギー散逸に利用されます。

ハイブリッド材料

ポリマーネットワークは、水素結合または動的共有結合化学によって動的修復プロセスを促進することができる。[ 8 ] [ 10 ]しかし、無機粒子を組み込むと、電子皮膚用途のポリマーベース材料の機能を大幅に拡張することができる。 ポリマーネットワークにミクロ構造ニッケル粒子を組み込むと（図 2）、無機粒子の周りの水素結合ネットワークの再形成に基づいて自己修復特性が維持されることがわかった。[ 7 ]この材料は、破損後 15 秒以内に導電性を回復することができ、機械特性は追加の刺激なしで室温で 10 分後に回復する。 この材料は、尿素基が整列したときに尿素基間に形成される水素結合に依存している。尿素官能基の水素原子は、電子吸引性カルボニル基の近くにあるため、水素結合ネットワークを形成するのに理想的な位置にある。[ 11 ]ニッケル粒子が埋め込まれたこのポリマーネットワークは、ポリマーを超分子ホストとして使用して自己修復導電性複合材料を開発する可能性を示しています。[ 7 ]

図 2. 水素結合と微細構造ニッケル粒子との相互作用に基づく自己修復材料。

3D的に相互接続された柔軟で多孔質のグラフェンフォームも自己修復特性を持つことが示されています。 [ 4 ]ポリ(N,N-ジメチルアクリルアミド)-ポリ(ビニルアルコール) (PDMAA)と還元酸化グラフェンを混合した薄膜は、高い電気伝導性と自己修復特性を示しました。このハイブリッド複合材料の修復能力は、PDMAA鎖間の水素結合によるものと考えられており、この修復プロセスによって初期長さが復元され、導電性が回復します。[ 4 ]

リサイクル可能な電子皮膚

Zouらは、ロボット工学、義肢、その他多くの用途で完全にリサイクル可能な電子皮膚材料の形で使用できる電子皮膚の分野における興味深い進歩を提示している。[ 8 ]このグループが開発したe-skinは、特定の温度で硬化する熱硬化性共有結合ポリマーのネットワークで構成される。しかし、この材料はリサイクル可能で再利用も可能である。ポリマーネットワークは熱硬化性であるため、化学的にも熱的にも安定している。[ 9 ]しかし、室温では、銀ナノ粒子の有無にかかわらず、ポリイミン材料は数時間で溶解する可能性がある。このリサイクルプロセスにより、自己修復能力を超えて損傷したデバイスを溶解して新しいデバイスに形成することができる（図3）。[ 8 ]この進歩は、e-skin開発において、より低コストの製造とより環境に優しいアプローチへの扉を開く。

図3. 導電性ポリイミンベースの電子スキンのリサイクルプロセス。

柔軟で伸縮性のある電子皮膚

電子皮膚が伸縮や屈曲などの機械的変形に耐え、機能性を失うことのない能力は、義肢、人工知能、ソフトロボット、健康モニタリング、生体適合性、通信機器などの用途に極めて重要である。[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 12 ]フレキシブルエレクトロニクスは、多くの場合、フレキシブルポリマー基板上に電子材料を堆積させることで設計され、好ましい機械的特性を付与するために有機基板が利用されている。[ 1 ]伸縮性電子皮膚材料は、2つの方向からアプローチされてきた。ハイブリッド材料は、本質的に伸縮性ではない無機粒子またはセンサーを埋め込む際に、有機ネットワークによって伸縮性を得ることができる。他の研究では、好ましい電子的またはセンシング機能も備えた伸縮性材料の開発に焦点が当てられている。[ 1 ]

Zouらは、ポリイミンマトリックスに「蛇行」と呼ばれるリンカーを組み込むことを研究した。[ 8 ]これらのリンカーにより、e-skinセンサーは動きや歪みに応じて柔軟に変形することができる。また、ポリマーベースの材料にアルキルスペーサーを組み込むことで、電荷移動度を低下させることなく柔軟性が向上することも示されている。[ 10 ] Ohらは、 3,6-ジ(チオフェン-2-イル)-2,5-ジヒドロピロロ[3,4- c ]ピロール-1,4-ジオン（DPP）と非共役2,6-ピリジンジカルボキサミド（PDCA）を水素結合源として用いた、伸縮性と柔軟性に優れた材料を開発した（図4）。[ 10 ]

図 4. 伸縮性と自己修復性を備えた半導体ポリマーベースの材料。

グラフェンは、その剛性と引張強度により、電子皮膚用途にも適した材料であることが示されています。[ 13 ]グラフェンは、柔軟な基板への合成がスケーラブルでコスト効率が高いため、魅力的な材料です。[ 13 ]

皮膚の機械的特性

皮膚はコラーゲン、ケラチン、エラスチン繊維で構成されており、これらの繊維は堅牢な機械的強度、低弾性率、耐引裂性、そして柔らかさを備えています。皮膚は表皮と真皮の二重層と考えることができます。表皮層の弾性率は約140～600 kPaで、厚さは0.05～1.5 mmです。真皮の弾性率は2～80 kPaで、厚さは0.3～3 mmです。[ 14 ]この二重層の皮膚は、15%未満のひずみに対しては弾性線形応答を示し、それを超えるひずみでは非線形応答を示します。皮膚ベースの伸縮性電子機器を設計する際には、デバイスの適合性を実現するために、表皮層の機械的特性と一致することが望ましいと考えられます。

機械的特性の調整

従来の高性能電子デバイスはシリコンなどの無機材料で作られており、本質的に硬くて脆く、皮膚とデバイスとの機械的な不一致により生体適合性が低いため、皮膚統合型エレクトロニクスのアプリケーションを困難にしていました。この課題を解決するために、研究者は超薄層の形でフレキシブルエレクトロニクスを構築する方法を採用しました。物体の曲げに対する抵抗（曲げ剛性）は、梁のオイラー・ベルヌーイの式によると、厚さの3乗に関連しています。[ 15 ]これは、厚さが薄い物体の方が簡単に曲げたり伸ばしたりできることを意味します。その結果、材料のヤング率が比較的高い場合でも、超薄基板上に製造されたデバイスは曲げ剛性が低下し、破損することなく小さな曲率半径に曲げることができます。薄型デバイスは、ナノテクノロジー、加工、製造の分野における大きな進歩の結果として開発されました。前述のアプローチは、薄い柔軟なポリマー基板上に堆積された100～200nmの厚さのSiナノ膜で構成されるデバイスを作成するために使用されました。[ 15 ]

さらに、構造設計上の考慮によってデバイスの機械的安定性を調整することができます。独自の表面構造を設計することで、硬い電子部品を柔らかくすることができます。座屈、アイランド接続、切り紙構造といった技術を駆使することで、システム全体を伸縮性のあるものにすることに成功しました。[ 16 ]

機械的な座屈は、薄いエラストマー基板上に波状構造を形成するために利用することができます。この特性により、デバイスの伸縮性が向上します。座屈アプローチは、エラストマー基板上に単結晶SiからSiナノリボンを作成するために使用されました。この研究では、このデバイスが圧縮および伸長時に最大10%の歪みに耐えられることが実証されました。[ 17 ]

アイランド相互接続の場合、剛性材料がジグザグ、蛇行形状の構造など、異なる形状で作られた柔軟なブリッジに接続され、有効剛性を低減し、システムの伸縮性を調整し、特定の方向に加えられた歪みの下で弾性変形します。蛇行形状の構造は表皮エレクトロニクスの電気特性に大きな影響を与えないことが実証されています。また、基板上のデバイスの動きに反対する相互接続の絡み合いにより、らせん状の相互接続は蛇行構造よりも大幅に伸縮および変形することが示されています。[ 16 ] 3Dアイランド相互接続技術を使用してPDMS基板上に構築されたCMOSインバータは、伸張時に140%の歪みを示しました。[ 17 ]

切り紙は、2次元膜の折り畳みと切断という概念に基づいて構築されています。これにより、基板の引張強度、面外変形、伸縮性が向上します。これらの2次元構造は、その後、座屈プロセスによって、さまざまな地形、形状、サイズを制御可能な3次元構造に変換することができ、興味深い特性と用途が生まれます。[ 16 ] [ 17 ]

導電性電子皮膚

導電性電子皮膚の開発は、多くの電気用途で興味深いものです。[ 3 ] [ 7 ] [ 18 ]導電性電子皮膚の研究には、導電性自己修復ポリマーと非導電性ポリマーネットワークに導電性無機材料を埋め込むという2つの方法があります。[ 1 ]

Teeら（図2）[ 7 ]が合成した自己修復性導電性複合材料は、微細構造ニッケル粒子をポリマーホストに組み込むことを研究した。ニッケル粒子は、粒子表面の自然酸化物層と水素結合性ポリマーとの間の良好な相互作用を介してネットワークに付着する。[ 7 ]

ナノ粒子は、電子皮膚材料に導電性を付与する能力についても研究されている。[ 8 ] [ 18 ] Zouらは、銀ナノ粒子（AgNPs）をポリマーマトリックスに埋め込み、電子皮膚に導電性を与えた。この材料の修復プロセスは、ポリマーネットワークの機械的特性を回復するだけでなく、銀ナノ粒子がポリマーネットワークに埋め込まれた際に導電性も回復するという点で注目に値する。[ 8 ]

電子皮膚の感知能力

電子皮膚センシング能力が直面する課題としては、センサーの脆弱性、センサーの回復時間、再現性、機械的歪みの克服、長期安定性などが挙げられる。[ 5 ] [ 19 ]

触覚センサー

加えられた圧力は、抵抗または静電容量の変化をモニタリングすることによって測定できます。[ 13 ]単層グラフェンに埋め込まれた共面櫛形電極は、静電容量の変化を測定することで、0.11 kPaという低い圧力に対しても圧力感度を示すことが示されています。[ 13 ]圧電抵抗センサーもまた、高い感度を示しています。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

グラフェンを集積した超薄型二硫化モリブデンセンサーアレイは、圧力検知が可能な有望な機械的特性を示している。[ 19 ]有機電界効果トランジスタ（OFET）の改良は、電子皮膚への応用において有望性を示している。[ 22 ]微細構造ポリジメチルシロキサン薄膜は、圧力が加えられると弾性変形する。この薄膜の変形により、エネルギーの蓄積と放出が可能となる。[ 22 ]

触覚センサーの開発において、加えられた圧力の視覚的表現は興味深い分野の一つである。[ 3 ] [ 23 ]スタンフォード大学のBaoグループは、加えられた圧力の量に応じて色が変わる電気着色活性電子皮膚を設計した。[ 3 ]加えられた圧力は、圧力が加えられると発光するアクティブマトリックス有機発光ダイオードディスプレイを組み込むことによっても視覚化できる。[ 23 ]

プロトタイプのeスキンには、ロボットハンドに皮膚のような触覚と触覚/痛覚を与える印刷シナプストランジスタベースの電子スキン[ 24 ] [ 25 ]と、多層触覚センサー修復可能なハイドロゲルベースのロボットスキン[ 26 ] [ 27 ]が含まれています。

その他のセンシングアプリケーション

湿度センサーは、硫化タングステン膜を用いた電子皮膚設計に組み込まれています。この膜の導電性は湿度に応じて変化します。[ 28 ]シリコンナノリボンも、温度、圧力、湿度センサーとしての応用が研究されています。[ 29 ]グラスゴー大学の科学者たちは、義肢やよりリアルなヒューマノイドへの応用を目指し、リアルタイムで痛みを感じる電子皮膚の開発に着手しました。[ 30 ]

電子皮膚とヒューマンマシンインターフェースのシステムは、遠隔触覚認識や、ウェアラブルまたはロボットによる多くの危険物質や病原体の感知を可能にする。[ 31 ] [ 32 ]

参照

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