この心臓バルーンカテーテルには、温度センサー、心電図センサー、LEDが巻き付けられています。ワイヤーは伸縮可能なコイルです。リフトオフMEMSプロセスで製造されています。エッチングされたシリコンはその後、引き伸ばされ、ポリマー製のバッキングに接着されます。基板上のシリコン使用量は最小限に抑えられており、このカテーテル全体は非常に柔軟であるため、バルーンの膨張と収縮に耐えることができます。

伸縮性エレクトロニクスは、弾性エレクトロニクスまたは弾性回路とも呼ばれ、シリコーンやポリウレタンなどの伸縮性基板上に電子デバイスや回路を堆積または埋め込むことで電子回路を構築し、大きな歪みにも耐えられる完成した回路を作成する技術群です。最も単純なケースでは、伸縮性エレクトロニクスは、硬質プリント基板に使用されるのと同じ部品を使用し、硬質基板を（通常は蛇行パターンで）切断して面内伸縮性を可能にすることで作成できます。[1]しかし、多くの研究者は、液体金属などの本質的に伸縮性のある導体も求めてきました。[2]

この領域における主要な課題の 1 つは、基板および相互接続を、フレキシブル (フレキシブル エレクトロニクスを参照) またはリジッド (プリント回路基板) ではなく、伸縮可能に設計することです。通常、ポリマーは基板または埋め込み材料として選択されます。[3] 基板を曲げると、曲げの最外半径が伸び (オイラー・ベルヌーイ梁のひずみを参照)、相互接続に大きな機械的ひずみが生じます。伸縮可能なエレクトロニクスは、多くの場合、人間の皮膚や肉のバイオミミクリー (伸縮可能であること) を試みて、完全な機能を維持します。ロボット デバイス用の敏感な電子皮膚[4]や体内に埋め込むスポンジのようなエレクトロニクス など、伸縮可能なエレクトロニクスによって製品の設計空間が広がります。

伸縮性皮膚エレクトロニクス

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、これらは堅牢な機械的強度、低弾性率、耐引裂性、そして柔軟性を提供する。皮膚は表皮と真皮の二重層と考えることができる。表皮層の弾性率は約140～600 kPaで、厚さは0.05～1.5 mmである。真皮層の弾性率は2～80 kPaで、厚さは0.3～3 mmである[5] 。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。

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は困難です。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。[6]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の厚さのシリコン（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。[6]

さらに、構造設計上の配慮により、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、硬い電子機器を柔らかくすることができます。座屈、アイランド接続、切り紙コンセプトなど、様々な手法を駆使して、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。[7] [8]

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。[9]

アイランド相互接続の場合、剛性材料は、ジグザグ、蛇行形状などの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。[7] 3Dアイランド相互接続技術を使用してポリジメチルシロキサン（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。[9]

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。[7] [9]

エネルギー

いくつかの伸縮性エネルギー貯蔵デバイスとスーパーキャパシタは、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）などの炭素系材料を使用して作られています。Liらによる研究では、伸縮性スーパーキャパシタ（弾性PDMS基板上の座屈したSWCNTマクロフィルムとエラストマーセパレーターで構成）が動的充放電を実行できることが示されました。[10]この伸縮性エネルギー貯蔵技術の主な欠点は、低い比容量とエネルギー密度ですが、SWNT / MnO 2電極などの酸化還元材料を組み込むことで改善できる可能性があります。[11]伸縮性エネルギー貯蔵デバイスを作成するための別のアプローチは、折り紙の折り畳み原理の使用です。[12]結果として得られた折り紙バッテリーは、大きな線形および面的変形可能性、大きなねじり性と曲げ性を実現しました。

薬

伸縮性のある電子機器をスマート衣服に組み込むことで、人体とシームレスに相互作用し、病気を検出したり、非侵襲的な方法で患者のデータを収集したりすることができるようになる。例えば、ソウル国立大学とMC10（フレキシブルエレクトロニクス企業）の研究者は、汗中の血糖値を検知し、必要に応じて必要な薬（インスリンまたはメトホルミン）を投与できるパッチを開発した。このパッチは、金粒子がちりばめられたグラフェンで構成されており、温度、pHレベル、血糖値、湿度を検知できるセンサーを内蔵している。[13] 伸縮性のある電子機器により、開発者はソフトロボットを作成し、病院で低侵襲手術を実施することも可能になる。特に脳の手術では1ミリメートル単位の精度が重要となり、このようなロボットは人間よりも正確な動作範囲を持つ可能性がある。

触覚センシング

硬い電子機器は、一般的に柔らかい生物や組織にうまく適合しません。伸縮性電子機器はこの点に制限されないため、一部の研究者は触覚センサーへの応用を試みています。その実現方法の一つとして、導電性OFET（有機電界効果トランジスタ）のアレイを作製し、局所的な静電容量の変化を検出できるネットワークを形成することが挙げられます。これにより、ユーザーは接触箇所に関する情報を得ることができます。[14]これは、ロボット工学や仮想現実アプリケーションへの応用が期待されます。[6] [7] [5] [8] [9]

参照

参考文献

  1. ^ Kim DH, Ahn JH, Choi WM, Kim HS, Kim TH, Song J, 他 (2008年4月). 「伸縮性と折り畳み性を備えたシリコン集積回路」. Science . 320 (5875): 507– 511. Bibcode :2008Sci...320..507K. doi : 10.1126/science.11 ​​54367. PMID  18369106. S2CID  5086038.
  2. ^ Yang JC, Mun J, Kwon SY, Park S, Bao Z, Park S (2019年11月). 「電子皮膚：健康モニタリング、ロボット工学、義肢のための皮膚装着型デバイスの最近の進歩と将来の展望」. Advanced Materials . 31 (48) 1904765: e1904765. Bibcode :2019AdM....3104765Y. doi : 10.1002/adma.201904765 . PMID  31538370.{{cite journal}}: CS1 maint: 記事番号をページ番号として表示 (リンク)
  3. ^ Cataldi P (2020). 「変形可能な導体と電磁干渉シールドのためのグラフェン–ポリウレタンコーティング」.先端電子材料. 6 (9) 2000429. arXiv : 2004.11613 . doi : 10.1002/aelm.202000429 .
  4. ^ Cataldi P, Dussoni S, Ceseracciu L, Maggiali M, Natale L, Metta G, 他 (2018年2月). 「人工電子皮膚のためのカーボンナノファイバーとグラフェンベースの伸縮性静電容量式タッチセンサーの比較」. Advanced Science . 5 (2) 1700587. Bibcode :2018AdvSc...500587C. doi : 10.1002/advs.201700587 . PMC 5827098. PMID  29619306 . 
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  6. ^ abc Lab-on-Skin：ウェアラブル健康モニタリングのためのフレキシブルで伸縮性のある電子機器のレビュー Yuhao Liu、Matt Pharr、Giovanni Antonio Salvatore、ACS Nano 2017 11 (10)、9614-9635 DOI: 10.1021/acsnano.7b04898 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b04898
  7. ^ abcd Wei Wu (2019) 伸縮性エレクトロニクス：機能性材料、製造戦略および応用、先端材料の科学と技術、20:1、187-224、DOI: 10.1080/14686996.2018.1549460 https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14686996.2018.1549460
  8. ^ ab CSマテリアルズレット。2022年、4、4、577–599 https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00799 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmaterialslett.1c00799
  9. ^ abcd 非従来型の3D構造設計による柔軟で伸縮性のあるデバイス、Hangbo Zhao、Mengdi https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9783527820153.ch10 Han
  10. ^ Li X, Gu T, Wei B (2012年12月). 「伸縮性スーパーキャパシタの動的安定性とガルバニック安定性」. Nano Letters . 12 (12): 6366– 6371. Bibcode :2012NanoL..12.6366L. doi :10.1021/nl303631e. PMID:  23167804.
  11. ^ Li X (2012). 「SWNT/MnO 2ハイブリッドフィルムの簡易合成と超容量挙動」ナノエネルギー誌. 1 (3): 479– 487. doi :10.1016/j.nanoen.2012.02.011.
  12. ^ Song Z, Ma T, Tang R, Cheng Q, Wang X, Krishnaraju D, et al. (2014). 「折り紙リチウムイオン電池」. Nature Communications . 5 3140. Bibcode :2014NatCo...5.3140S. doi : 10.1038/ncomms4140 . PMID  24469233.
  13. ^ Talbot, David (2016年3月22日). 「皮膚パッチによる糖尿病のコントロール」. MIT Technology Review . 2017年11月8日閲覧。
  14. ^ 染谷 剛志、加藤 勇、関谷 剛志、伊庭 誠、野口 勇志、村瀬 勇志、他 (2005年8月). 「有機トランジスタアクティブマトリックスを用いた、コンフォーマルでフレキシブルな大面積圧力・温度センサーネットワーク」.米国科学アカデミー紀要. 102 (35): 12321– 12325. Bibcode :2005PNAS..10212321S. doi : 10.1073/pnas.0502392102 . PMC 1187825. PMID  16107541 . 
  • 「マイクロシステム技術センター（CMST）」。ベルギー：ゲント大学/IMEC。
  • 「ロジャース研究グループ」。ノースウェスタン大学。
  • 「Stretchable Circuitsは伸縮性のある電子システムを開発しています」。2018年2月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。