　米スタンフォード大学と韓国の慶尚大学校に所属する研究者らが発表した論文「Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin」は、外部の温度や圧力を測定できる、皮膚に貼る柔軟で伸縮性が高い電子皮膚を提案した研究報告である。感知した信号を電気信号に変換して脳に伝達することで、着用者が圧力やゆがみ、温度変化を感じられることを目指す。

回路を集積した柔軟な電子皮膚

人差し指と中指の腹に装着した電子皮膚で感じた触覚を電気信号に変換して脳に送るイメージ図

　人間の皮膚は、触覚を感知して電気信号に変換し、神経系を通じて脳に伝達される。これをデバイスで再現するために、電子皮膚はセンサーと集積回路を必要とするが、これらは通常、硬い半導体で作られている。

　これまでにも、柔軟性と伸縮性に優れた電子皮膚が多数報告されてきたが、これらのデバイスは通常高電圧でしか動作しないため、ウェアラブルデバイスとしての利用には危険が伴う。

　この研究では、圧力や温度、ゆがみだけでなく、それらを感知して電気パルスに変換し、脳と通信するためのソフト集積回路を組み込んだ電子皮膚を提案する。

脳を介した電子皮膚の概要

　電子皮膚は、3層構造の誘電体で構成する。3層構造により、1層構造の誘電体に比べて回路を低電圧（わずか5V）で動作する。各層には、伸びても電気信号が伝わる有機ナノ構造のネットワークが組み込まれており、圧力や温度、ゆがみ、化学物質を感知するように設計できる。

　この電子皮膚を指に取り付け、熱を加えたり圧力をかけたりすると、センサーが回路に信号を送り、回路がそれを電気パルスに変換する。そのために必要な電圧は、従来の電子皮膚に使われている電圧の60分の1であるため、電子皮膚はそれほど熱くならず快適に長く使用できる。

ラットを用いた実験の概要

　研究チームは、実際に脳への伝達を実証するために、神経から筋肉に電気信号を伝達するデバイスも開発した。このデバイスは、ラットを用いた実験で使用した。ラットの脳には2本の電極を挿入し、1本は電子皮膚からの触覚を感知するために使う。もう1本はその受け取った電気信号を足の筋肉に送るために使用した。

　この状態で電子皮膚に触れると、電気信号が脳に送られ、その信号がラットの足の坐骨神経に伝わり、足がピクピクと動くという現象を観察できた。この結果から、電子皮膚の触覚が脳に伝達可能であることを示唆した。

Source and Image Credits: Weichen Wang et al. ,Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin.Science380,735-742（2023）.DOI:10.1126/science.ade0086

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