プロテーゼを含むさまざまな状況で使用できる人工皮膚。
私たちのオーストリアの川の両側にあるグラーツの街では、指先や指の感覚さえも感じられないほど寒くなることがあります。 ここ、市内の公立大学であるグラーツ工科大学の研究室では、ペトリ皿の上に「人工皮膚」、つまりスマートスキンのパッチが置かれており、その作成者らによると、人間の指先よりもさらに敏感だという。
ウェアラブルの異質な雰囲気を緩和し、より人間らしくする材料を世界がこれまで以上に熱心に追求している中、材料科学の将来に関しては、正しい方向への動きが見られます。 昨年、グラーツ工科大学 (TU Graz) 固体物理研究所のアンナ マリア コクライト氏と研究者チームは、プロジェクト「SmartCore」の概念実証資金を獲得するために、研究結果を欧州研究評議会に提出しました。 ‘。
スマートコアとは何ですか? コクライト博士と彼女のチームは、圧力、湿度、温度を同時に感知し、それらを電子信号に変換することで人間の皮膚によく似た、スリーインワンの「スマートスキン」ハイブリッド素材の開発に成功しました。 1 平方ミリメートルあたり 2,000 個の個別センサーを備えたこのハイブリッド素材は、人間の指先よりも感度が高く、その評判のおかげで、厚さは 0.006 ミリメートルで、人間の皮膚よりも何倍も薄いです。 研究チームは、人間のこれら 3 つの感覚印象に反応することで、スマート スキン プロトタイプは、圧力と温度にのみ反応するこれまでの市場のすべての電子スキン素材を超えると主張しました。
堅実な物理学分野の専門家であるコクライト博士は、最先端の新興技術に取り組んでいるだけでなく、自分の科学をわかりやすい方法で説明する能力も備えています。 ビデオインタビューで ヒンドゥー教「人工皮膚は、私たちの皮膚の機能を模倣しようとする一連の素材です。 もちろん、人間の皮膚は非常に複雑で、感知するだけでなく、温度調節や保護など、多くの機能を備えています。 人工皮膚プロジェクトは、少なくとも一部の機能をエミュレートしようとします。 私たちの特別なケースでは、センシング特性に焦点を当てました。 そこで私たちは、湿度、温度、圧力のセンサーをデバイスに組み込むことを試みました。 人間の皮膚のようにそれを表現するには、より冷たいもの、またはより温かいものに触れているように感じます。 同様に、この人工皮膚も、より冷たいより暖かい物体、スパイクのある物体、スパイクのない物体などを区別します。」
さらに、「人間の皮膚の解像度は1ミリメートル四方です。 つまり、1 ミリメートル四方以上の物体であれば、指で触ることができるということになります。 私たちが作製したデバイスでは、1ミリメートル四方よりも小さい0.25ミリメートル四方のピクセルからの電流も測定することができました。 つまり、人間の皮膚よりも小さな領域でも情報が得られるということになります。 これはどのようなメリットがあるのでしょうか? まず第一に、おそらく人間のスケールよりも正確な応答を備えた、より統合された応答が得られる可能性があります。 また、たとえば小さな物体の感知にも使用できます。」 制作には何年もかかりました。 人工皮膚プロジェクトの作業は資金調達が入った 2016 年に始まりましたが、「その前に、私たちはこのタイプのデバイスに使用されている材料に取り組んでいました。たとえば、材料の 1 つは厚さを変えるスマートポリマーです」湿度と温度によって異なります。」
素材について
文字通り、プロトタイプに使用される材料のすべてが手に委ねられており、それらはプロセス全体の基本的な構成要素です。 コクライト博士は次のように説明します。 たとえば、このタイプの材料は、人工皮膚が力や圧力を感知できるようにする材料です。 これの非常に基本的なもう 1 つの材料は、湿度と温度に応じて厚さが変化するスマート ポリマーであり、特にこれら 2 つの材料はさまざまなナノロッドに組み合わされています。 つまり、ポリマーが中央にあり、圧電材料が外側にある非常に非常に小さなロッドです。 そして何が起こるかというと、温度や湿度の変化によりポリマーが膨張すると、圧電材料に圧力がかかり、その結果、電流が流れます。」
当然のことながら、インスピレーションは元の人間の皮膚から来ていますが、他の生体模倣例、たとえば松ぼっくりや植物の葉からも、湿度や温度に応じて形状や厚さがこのように変化します。 したがって、スマートポリマーは、ある意味で、自然界の他のそのような現象をエミュレートします。 これらの材料は生体適合性がありますか? 「私たちは人間の間で使用するための生物医学分野での応用を考慮していたので、材料が生体適合性であることを望んでいました。 これらのセンサーを作成するため、特に解像度が人間の皮膚が可能な解像度を下回るように非常に小さいものにするために、私たちは精密な化学蒸着技術を使用して優れた製品を作りました。」
持続可能であること
無駄な痕跡を残し、プロジェクトを確実に持続可能にすることを意識している人々にとって、コクライト博士のチームが提供するもう 1 つの利点は、サイジングです。 「私たちが使用しているセンサーはすべて、1ミリメートルよりもはるかに小さい薄膜でできています。 つまり、使用される材料の量は非常に少ないということです。 したがって、これらの材料から残されるフットプリントはそれほど多くありません。 このデバイス全体の最も厚い部分は、実際にはプラスチック フォイルを使用した基板ですが、より生分解性の高い紙フォイルを使用することもできます。 したがって、最初のプロトタイプよりもはるかに環境に優しい材料を使って製品を作ることもできます」とコクライト博士は説明します。
実際のバイオ用途
プロトタイプの成功と ERC の資金提供で今後の道がスムーズになったことで、コクライト博士と彼女のチームは、ヘルスケアとロボット工学におけるスマート スキンの影響をさらに調査したいと考えています。 彼女とチームが本当に興奮している実用的な応用分野の 1 つは義肢です。 「人工皮膚はプロテーゼを覆い、切断患者が感覚を取り戻すのに役立つ可能性があります。 したがって、治療効果があるとは言えませんが、たとえば、手足を失った人々に感覚を取り戻すための医療機器として使用される可能性があります。」 研究者がスマートスキンからの信号を人間のニューラルネットワークと統合し、これらの新しい信号を読み取るように脳に教えることができれば、このようなインテリジェントなプロテーゼが可能になる可能性がある。 現在、この研究分野では多くの作業が行われています。」
世界保健機関（WHO）によると、毎年約20万人が重度の火傷を負い、皮膚受容体の死滅により感覚を完全に喪失しているという。 スマートスキンは、火傷患者が感覚を取り戻すのを助ける「絆創膏」として機能する可能性がある。 コクライト博士にとって、これはおそらく彼女が望むことができる最高のものかもしれません。 「生物医学への応用開発は、私がより興味を持っている分野の一つだと思います。なぜなら、私の観点からすると、私の研究プロジェクトの一つが、感覚を失った患者に感覚を取り戻すのに役立つことができれば、それは本当に素晴らしいことだと思うからです」あるいは現実の問題を解決することもできます。」
予測の中には、患者の健康状態に関する正確な情報を収集するようにプログラムされている場合、スマート スキンはスマート ウォッチのセンサーとしても使用できる可能性があります。 このようにして、皮膚の水分、pH値、温度を継続的に監視できます。
無線の仕事
PoC の資金を得て、科学者は電子皮膚とリアルタイム監視システムの無線接続を開発したいと考えています。 これは、温度、湿度、気圧などの重要なデータを Bluetooth 経由でスマートフォンのアプリに送信し、記録された感覚の印象を表示するために使用できます。 コクライト博士が言うように、プロトタイプを研究室から現場に持ち出す際の中心点は、ある種の無線検出を実現することです。 現在のプロトタイプはワイヤーで接続する必要があります。 今後 5 年間のスケジュールでこの拡大が実現する可能性が高いことを彼女は望んでいます。 彼女はまた、感知した圧力や温度を脳との通信に使用される神経インパルスに似た電気信号に変換するソフト集積回路を製造する、スタンフォード大学のチームによって行われた刺激的な研究についても指摘した。 「たとえ異なるアプローチや異なる素材が使用されていたとしても、人工皮膚がどのように脳と通信できるかを示すこの作品は、本当に刺激的な作品です。 それは私たちに希望を与えてくれます」と彼女は言います。
彼女のチームに今後のタスクの概要を説明すると、プロトタイプの最適化、ワイヤレス検出の開発、そしてこのアプリケーションをリアルタイムで実際の状況でテストすることに関心のある企業と協力することになると述べています。 「同時に、この種の応答性材料や生体模倣材料にも引き続き取り組んでいきます。」
「そこでは本当にたくさんのことが起こっていると思う。 これらすべてのセンサーやウェアラブルを、学習アルゴリズムを備えた学習型人工知能と組み合わせるのも良いでしょう。 つまり、そう遠くない将来、私たちは、すべてのバイタルを常にチェックするセンサーに完全に接続されることになると思います。 それはそう遠くない将来のことです」と彼女は言います。
現実的なタイムライン
また、新型コロナウイルスのパンデミック後に科学研究が予想外の反響を得たことから、研究への資金提供が重要であると彼女は感じている。 「新型コロナウイルスワクチンの開発とそれをいかに早く入手したかを見れば、研究に資金を投入することが本当に大きな社会に利益をもたらすことができるのは明らかです。 あなたがイノベーションに資金を提供すれば、全世界がその恩恵を受けることは明らかです」と彼女は言います。
コクライト博士のタイムラインは、将来に対する楽観主義に基づいて構築されていますが、ウェアラブル分野で何が起こっているかについての彼女の認識も基づいています。これは、この分野で行われている研究と資金提供によって促進された複数の部門間のコラボレーションという点で、事実上爆発的なものです。 過去 6 年ほどという比較的短い期間に、彼女とそのチームが科学の分野でどれほど遠くまで到達したかを考えると、彼女が確かに感覚をつかんでいることを証明した人からのものであるため、彼女の楽観的な考えを共有するのは簡単です。