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ウェアラブル圧力センサーは、人間の健康状態をモニタリングし、人間とコンピュータのインタラクションを実現する上で役立ちます。汎用的なデバイス設計と機械的ストレスに対する高い感度を備えた圧力センサーの開発に向けた取り組みが進められています。
研究：50個のノズルを備えた電界紡糸ポリフッ化ビニリデンナノファイバーをベースにした、織りパターン依存型の織物圧電圧力トランスデューサー。画像提供：African Studio/Shutterstock.com
npj Flexible Electronics誌に掲載された論文では、ポリエチレンテレフタレート（PET）経糸とポリフッ化ビニリデン（PVDF）緯糸を用いた布地用圧電圧力トランスデューサーの作製について報告されています。開発された圧力センサーの性能は、織り目に基づいた圧力測定に関連して、約2メートルの布地スケールで実証されています。
結果は、2/2カナード設計を用いて最適化された圧力センサーの感度が、1/1カナード設計と比較して245%向上することを示しています。さらに、最適化された布地の性能を評価するために、屈曲、圧迫、しわ、ねじれ、そして様々な人間の動きを含む様々な入力が使用されました。本研究では、センサーピクセルアレイを備えた組織ベースの圧力センサーが、安定した知覚特性と高い感度を示しました。
ライス。1. PVDF糸と多機能織物の製造。a 50ノズルの電界紡糸法を用いてPVDFナノファイバーの整列マットを作製するプロセスの図。銅棒がベルトコンベア上に平行に配置され、4層モノフィラメントフィラメントから3つの編組構造を作製する手順が示されている。b 整列PVDF繊維のSEM像と直径分布。c 4本撚り糸のSEM像。d 4本撚り糸の引張強度と破断時ひずみ（撚りの関数として）。e 4本撚り糸のX線回折パターン。アルファ相とベータ相の存在を示している。© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
インテリジェントロボットやウェアラブル電子機器の急速な発展により、フレキシブル圧力センサーをベースにした多くの新しいデバイスが生まれ、エレクトロニクス、産業、医療の分野での応用が急速に発展しています。
圧電性は、機械的応力を受けた材料に発生する電荷です。非対称材料における圧電性は、機械的応力と電荷の間に線形可逆関係をもたらします。したがって、圧電材料が物理的に変形すると電荷が発生し、逆もまた同様です。
圧電デバイスは、消費電力の少ない電子部品に代替電源を提供するため、自由な機械的動力源を利用することができます。デバイスの材料の種類と構造は、電気機械結合に基づくタッチデバイスの製造において重要なパラメータです。ウェアラブルデバイスでは、高電圧無機材料に加えて、機械的に柔軟な有機材料も研究されています。
電界紡糸法によってナノファイバーに加工されたポリマーは、圧電エネルギー貯蔵デバイスとして広く利用されています。圧電ポリマーナノファイバーは、様々な環境下における機械的弾性に基づく電気機械発電を提供することで、ウェアラブル用途向けの布地ベースのデザイン構造の創出を容易にします。
この目的のために、PVDFおよびその誘導体をはじめとする圧電ポリマーが広く利用されています。これらのPVDF繊維は、強い圧電性を有し、延伸・紡糸されて織物となり、センサーや発電機などの圧電用途に使用されます。
図2. 大面積組織とその物理的特性。最大195 cm x 50 cmの大型2/2緯糸リブパターンの写真。b. 1本のPVDF緯糸と2本のPETベースを交互に配置した2/2緯糸パターンのSEM画像。c. 1/1、2/2、3/3緯糸端を持つ様々な織物の弾性率と破断ひずみ。d. は織物の測定された垂下角度。© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
本研究では、50個のノズルを用いた連続50ジェット電界紡糸プロセスを用いて、PVDFナノファイバーフィラメントをベースとした織物生成装置を構築した。このプロセスでは、50個のノズルを用いることで、回転ベルトコンベアを用いてナノファイバーマットを容易に製造することができる。PET糸を用いて、1/1（平織り）、2/2、3/3横畝を含む様々な織り構造を作製した。
これまでの研究では、繊維を集束ドラム上に整列させた銅線を用いて繊維を整列させる方法が報告されています。しかし、本研究では、ベルトコンベア上に1.5cm間隔で並んだ銅棒を平行に配置し、入ってくる帯電繊維と銅繊維に付着した繊維表面の電荷との間の静電相互作用を利用して紡糸口金を整列させます。
これまで報告されている静電容量型やピエゾ抵抗型のセンサーとは異なり、本論文で提案する組織圧力センサーは、0.02ニュートンから694ニュートンまでの広範囲の入力力に応答します。さらに、提案する布地圧力センサーは、標準的な洗濯を5回繰り返した後でも、初期入力値の81.3%を維持しており、この圧力センサーの耐久性を示しています。
さらに、1/1、2/2、3/3リブ編みの電圧と電流の結果を評価する感度値は、2/2と3/3リブ圧力に対して83と36 mV/Nの高い電圧感度を示しました。3つの緯糸センサーは、24 mV/Nの緯糸圧力センサー1/1と比較して、これらの圧力センサーに対してそれぞれ245%と50%高い感度を示しました。
ライス。3. フルクロス圧力センサーの拡張アプリケーション。a 前足部（つま先のすぐ下）とかかとの動きを検出するために 2 つの円形電極の下に挿入された 2/2 横糸リブ編み生地で作られたインソール圧力センサーの例。b 歩行プロセスにおける個々のステップの各段階（かかと着地、接地、つま先接触、脚上げ）の模式図。c 歩行分析のための歩行ステップの各部分に応答した電圧出力信号、および d 歩行の各段階に関連付けられた増幅された電気信号。e 各ピクセルからの個々の信号を検出するためにパターン化された導電線を備えた最大 12 個の長方形ピクセル セルのアレイを備えた完全な組織圧力センサーの模式図。f 各ピクセルを指で押すことによって生成される電気信号の 3D マップ。g 電気信号は指で押されたピクセルでのみ検出され、他のピクセルではサイド信号は生成されないため、クロストークがないことがわかります。 © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R 他 (2022)
結論として、本研究はPVDFナノファイバー圧電フィラメントを組み込んだ高感度ウェアラブル組織圧力センサーを実証しました。製造された圧力センサーは、0.02ニュートンから694ニュートンまでの広範囲の入力力に対応します。
試作した電動紡糸機1台に50個のノズルを装着し、銅棒をベースとしたバッチコンベアを用いてナノファイバーの連続マットを製造した。間欠圧縮下において、製造した2/2緯糸ヘム織物は83mV/Nの感度を示し、これは1/1緯糸ヘム織物と比較して約245%高い値である。
提案された全織布圧力センサーは、ねじる、曲げる、握る、走る、歩くといった生理学的運動をセンサーに与えることで電気信号をモニタリングします。さらに、これらの布製圧力ゲージは従来の布と同等の耐久性を備えており、標準洗濯5回後でも約81.3%の強度を維持します。さらに、製造された組織センサーは、人の歩行の連続的な動きに基づいて電気信号を生成するため、ヘルスケアシステムにおいて効果的です。
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, 他 (2022). 電気紡糸ポリフッ化ビニリデンナノファイバーをベースとした布地圧電圧力センサー。織りパターンに応じて50個のノズルを備える。Flexible Electronics Npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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バヴナ・カヴェティは、インド・ハイデラバード出身のサイエンスライターです。インドのヴェロール工科大学で理学修士号と医学博士号を取得後、メキシコのグアナファト大学で有機化学および医薬化学の学位を取得しました。彼女の研究は、複素環をベースとした生理活性分子の開発と合成に関連しており、多段階・多成分合成の経験を有しています。博士課程では、生物学的活性をさらに機能化する可能性が期待される、様々な複素環をベースとした結合型および融合型のペプチド模倣分子の合成に取り組みました。博士論文や研究論文を執筆する傍ら、科学的なライティングとコミュニケーションへの情熱を追求してきました。
Cavity, Buffner. (2022年8月11日). ウェアラブル健康モニタリング向けに設計されたフルファブリック圧力センサー. AZonano. 2022年10月21日閲覧、https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
キャビティ、バッファナー。「ウェアラブル健康モニタリング用に設計された全組織圧力センサー」AZonano。2022年10月21日。2022年10月21日。
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Cavity, Buffner. 2022. ウェアラブル健康モニタリング向けに設計されたオールクロス圧力センサー。AZoNano、2022年10月21日アクセス、https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544。
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