柔軟性のある自己発電型バイオエレクトロニクス・デバイスを開発

柔軟性のある自己発電型バイオエレクトロニクス・デバイスを開発テクノロジー
UCLAが設計したバイオエレクトロニクスのための自己発電、柔軟性のある防水の磁気弾性発電機。©Jun Chen

カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA) サミュエリ工学部のバイオエンジニアチームは、ソフトで柔軟性のある新しい自己発電型バイオエレクトロニクス・デバイスを開発しました。

この技術は、肘の曲げ伸ばしから手首の脈のような微妙な動きまで、人間の体の動きを電気に変換するもので、ウェアラブルやインプラント型の診断センサーの電源として利用できる可能性があります。

研究チームは、微小な磁石を機械的な圧力で押し付けたり引き離したりすると、物質がどれだけ磁化されるかが変化する「磁気弾性効果」が、単に硬いだけでなく、柔らかく柔軟なシステムにも存在することを発見しました。

研究チームは、この概念を証明するために、紙のように薄いシリコンのマトリックスに分散させた微小な磁石を用いて、マトリックスがうねるたびに強さが変化する磁場を発生させました。

磁界の強さが変化すると、電気が発生します。

Nature Materials誌は本日、この発見、ブレークスルーの背景となる理論モデル、およびデモンストレーションの詳細を記した研究論文を発表しました。

本研究は、Nature誌でも紹介されています。

UCLA サミュエリ工学部のバイオエンジニアリング助教授であるJun Chen氏は、「今回の発見は、人間の身体を中心とした、モノのインターネットに接続可能な実用的なエネルギー、センシング、治療技術のための新たな道を開くものです。この技術の特徴は、デバイスを人の肌に押し当てたときに、人が快適にストレッチや動きをすることができ、電気ではなく磁気に頼っているため、湿度や自分の汗がその効果を損なうことがないことです。」

Chen氏のチームは、プラチナ触媒を用いたシリコーンポリマーマトリックスとNd-Fe-B (ネオジム-鉄-ホウ素)ナノ磁石で構成された、小型で柔軟な磁気弾性発電機(米国の25セント硬貨程度の大きさ)を製作しました。

これを被験者の肘に伸縮性のある柔らかいシリコンバンドで固定しました。

その結果、硬い金属合金を使用した同サイズの装置に比べて、4倍の磁気弾性効果が確認されました。

その結果、1平方センチメートルあたり4.27ミリアンペアの電流を発生させることに成功しました。

これは、次に優れた同等のテクノロジーよりも10,000倍優れています。

このフレキシブル磁気弾性発電機は、人間の脈波を電気信号に変換し、自己発電式の防水心拍計として使用できるほど感度が高いのです。

また、発電された電気は、汗センサーや体温計など、他のウェアラブル機器の持続的な電源としても利用できます。

人体の動きからエネルギーを得てセンサーなどに電力を供給するウェアラブル発電機は、これまでも開発が進められてきましたが、実用化には至っていませんでした。

例えば、磁気弾性効果を持つ硬い金属合金は、十分に曲がらないため、皮膚に押し付けても意味のあるレベルの電力を生成できず、実用化には至りません。

また、静電気を利用したデバイスでは、十分なエネルギーが得られないことがあります。

また、湿度の高い場所や汗をかいた状態では、性能が低下してしまいます。

このようなデバイスをカプセル化して水を通さないようにする試みもありますが、それでは効果が半減してしまいます。

しかし、UCLAのチームが開発した新しいウェアラブル磁気弾性発電機は、人工的な汗に1週間浸しても問題なく動作しました。

この技術は、UCLA Technology Development Groupが特許を申請しています。

UCLA サミュエリ工学部の博士研究員であるYihao Zhou氏と大学院生のXun Zhao氏は、この研究の共同筆頭著者です。

二人は、UCLAのウェアラブル・バイオエレクトロニクス・グループを率い、UCLA Society of Hellman Fellowsの一員であるChen氏の助言を受けています。

その他の著者は、UCLAの大学院生Jing Xu氏とGuorui Chen氏、博士研究員のYunsheng Fang氏とYang Song氏、そしてバイオエンジニアリング学科の教授であり学科長のSong Li氏です。

Published by University of California, Los Angeles. Yihao Zhou, Xun Zhao et al., Giant magnetoelastic effect in soft systems for bioelectronics. Nature Materials, 2021; DOI: 10.1038/s41563-021-01093-1
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