東大など、指の曲げ伸ばしを計測可能な柔軟な光センサシートを開発

東京大学(東大)、神奈川県立産業技術総合研究所(KISTEC)、宇都宮大学(宇大)、科学技術研究所(科技研)の4者は10月13日、蜘蛛の脚関節の近くにある、蜘蛛糸に生じるわずかな振動や応力などを検出する細隙器官に似た亀裂の開閉動作を応用した新しい光センサシートを開発したことを発表した。

同成果は、東大大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻/電気系工学専攻の松井裕章准教授、KISTEC 機械・材料技術部の百瀬晶グループリーダー、宇大大学院地域創生科学研究科工農総合科学専攻の依田秀彦准教授、科技研の藤田明希科学技術部長らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国化学学会が刊行する材料と界面プロセスを扱う学術誌「ACS Applied Materials & Interfaces」に掲載された。

ヒトの運動動作に関係した生体情報計測のための、フレキシブルなソフトデバイスの開発が求められている。ただし、皮膚表面での歪み計測が必要なため、50％を超える大きな歪みを観測できる技術が必要なほか、試料に発生する歪みを計測する従来の光学的手法によるセンシングは、複雑な構造体やリアルタイム計測に課題があったため異なる新方式を開発する必要があったという。

そこで研究チームは今回、蜘蛛の細隙器官に見られる亀裂の開閉動作に着目。同器官を表面プラズモン共鳴に応用(バイオミメティクス)し、従来の光計測において困難だったフレキシブルやウェアラブル性能を持つ歪み光センシング技術の開発を目指すことにしたという。

今回の研究で試料の表面に用いられたのが、透明導電膜として知られる「ITO」(スズを加したインジウム酸化物)ナノ粒子薄膜で、試料の引張試験中に、同薄膜に生じる微小な亀裂を表面プラズモン共鳴に応用することで、塗るだけで歪みの計測が可能な光センサシートの作製に成功したとする。

具体的には、20nm程度の粒子径を持つITOナノ粒子が、スピンコーティング法を用いて超弾性体「PDMSシート」上に堆積させ、溶媒(トルエン)を蒸発させたところ、同シート上のITOナノ粒子薄膜は高い柔軟性を示すことが確認された(同シートは、反射率変化と応力との関係性をさらに検討するために丸い穴が開けられている)。

引張試験中に生じたITOナノ粒子薄膜の表面形態は、共焦点レーザー顕微鏡を用いて観察が行われたところ、歪みを与えていない場合、亀裂は存在していないが、試料が引張りを受けると、ナノ粒子薄膜表面上に多数の亀裂が並行に形成され、その密度は歪みに応じて増大。一方、この引張りを除荷すると、同薄膜表面の亀裂は閉じ、亀裂の開閉動作が確認されたとする。

ナノ粒子薄膜表面の亀裂の開閉動作と生体運動計測の実証 (出所:プレスリリースPDF)

また、試料の引張試験中のITOナノ粒子薄膜における光学特性が調べられたほか、試料の応力分布の計測を実施。分光計測は試料の中心位置で行われ、試料に生じる応力分布は3次元有限要素法を用いて計算が実施されたところ、試料への引張り歪みが25％と50％の場合、反射率変化に面内偏光性が観測されたとするほか、有限差分時間領域法を用いた3次元電磁界解析からも、同様の光学的な振る舞いが確認されたという。さらに、反射率変化の面内偏光性は、試料に発生した応力の面内方位に一致したともしており、これらの結果は、ITOナノ粒子薄膜における反射率変化が試料に発生する応力と良い相関性があることを示していると研究チームでは説明している。

(a)スピンコーティング法を用いたITOナノ粒子薄膜の作製方法。(b～e)ナノ粒子薄膜の柔軟性が示された画像。異なる引張応力下におけるナノ粒子薄膜表面の共焦点レーザー顕微鏡画像 (出所:プレスリリースPDF)

今回のPDMSシートには丸い穴があるが、その周辺には応力が集中し、シート面内に不均一な応力分布が与えられるため、応力が集中する領域と集中しない領域の反射率の変化を測定したところ、ノーマル領域と比べてエッジ領域において反射率の変化が高いことが判明したという。これはシート表面の応力分布の違いをITOナノ粒子薄膜の反射率変化で評価できることが示されているとするほか、引張試験の繰り返しに対して、可逆的な反射率の変化が観測されており、その変化はITOナノ粒子薄膜における亀裂の開閉動作に関係するともしている。

(a)引張試験下の試料の光学画像と3次元応力分布像。(b)反射率変化(ΔR)の面内偏光性。(c)3次元電磁界解析による反射率の面内偏光性。面内偏光性は入射角度(θ)を変化させた。(d)応力(σ)の面内依存性 (出所:プレスリリースPDF)

研究では、ウェアラブル性能の評価のために、ゴム手袋の人差し指第2関節部位上にITOナノ粒子薄膜を貼り付け、人差し指の屈伸運動に伴う反射率の変化の計測を実施。指の曲げ角度の増大と共に反射率の変化が観測されたほか、指の曲げ伸ばしの繰り返し運動に対して、反射率が可逆的に変化し、人の運動動作を計測することに成功したとのことで、これにより指の関節部位に発生する応力と反射率変化の関係が示され、今回の研究において開発された光センサシートのフレキシブル性能が実証されたと研究チームでは説明している。