高速高感度で温度変化を感知する人工皮膚を開発!

カリフォルニア工科大学(Caltech)とチューリッヒ工科大学の工学者チームが、pit vipers (マムシ) が獲物の体温を感知する事を可能にしている器官によって使われている物と同じ機構を使って、温度変化を検知する能力を持った人工皮膚を開発しています。

当該物質は、手足切断患者が温度感知を回復できるように、人工義肢上に移植する事が可能です。その物質は、傷口の感染サインである、温度上昇を医療従事者に警告するための応急絆に適用することも可能です。新素材に関する論文はScience Robotics誌に掲載されています。

温度感覚を司るペクチン

Engineers create artificial skin that ‘feels’ temperature changes

シャレーの中で合成木を加工するのと同時に、カルテックのキアラ・ダライオ氏率いるチームは、研究室で温度変化に電気的応答を見せる物質を作り出しました。温度感覚に関与している構成材が、植物細胞壁に存在する長鎖分子のペクチンであることが判明しました。

”ペクチンは、ゼリー状エージェントとして、食品産業で広く利用されていて、例えば、ジャムを作る時に使われる物でもあります。なので、簡単に入手できて非常に安価です。”と、工学応用科学部の機械工学・応用物理学教授のDaraio氏は言っています。

透明軟質ペクチン薄膜

興味を注がれ、チームはペクチンに注意を向けて、最終的に、20マイクロメーター厚(人の髪の毛の直径に匹敵)まで薄くできる、ペクチンと水の薄い透明な軟質膜を作り出しました。薄膜中のペクチン分子は、カルシウムイオンを含む弱結合二重鎖構造を持っています。温度が上昇するにつれ、こういった結合は壊れ二重鎖が解体し、正帯電カルシウムイオンを放出します。

自由カルシウムイオン濃度上昇か、移動度が増えるかのどちらか(両方の可能性が高いと研究者は推測しています)が、膜内に埋め込まれた電極に接合されているマルチメーターで検知することができる電気抵抗を、物質中にわたって減少させています。

カルシウムイオン

The film senses temperature using a mechanism similar — but not identical — to the pit organs in vipers, which allow the snakes to sense warm prey in the dark by detecting radiated heat. In those organs, ion channels in the cell membrane of sensory nerve fibers expand as temperature increases. This dilation allows calcium ions to flow, triggering electrical impulses.

その薄膜は、完全に同じではないのですが、蛇が放出熱を検知することで暗闇で獲物の熱を感知することを可能にしている、マムシの孔器に良く似た機序を使って温度を感知しています。その器官では、感覚神経繊維の細胞膜中のイオンチャネルは、温度が上昇するにつれて広がります。この膨張が、カルシウムイオンが流れる事を可能にし、電気的刺激を引き起こします。

Existing electronic skins can sense temperature changes of less than a tenth of a degree Celsius across a 5-degree temperature range. The new skin can sense changes that are an order of magnitude smaller and have a responsivity that is two orders of magnitude larger than those of other electronic skins over a 45-degree temperature range.

電子皮膚がある事で、5度温度範囲にわたって、摂氏0.1度未満の温度変化を知覚できます。新しい皮膚は、45度温度範囲にわたって、他の電子皮膚が感じるものより、10倍微小な変化を感知でき、100倍以上の応答速度を持っています。

今までのところ、その皮膚は、ロボット工学や生物医学分野での応用に役立つ、摂氏5度~50度(華氏41度~158度)程度の範囲にわたって、こういった微小な変化を検知する能力があります。次に、ダライオ教授のチームは、それを最大摂氏90度(華氏194度)まで高めることを考えています。この事は、ペクチンセンサーを、家電製品内熱センサーや、人とロボットの交流を増補するためのロボット用皮膚などの、産業用アプリとして役立たせるはずです。そうするために、彼等は、その素材を作るために現在使っている加工工程が、高温で泡になったり蒸発しやすい水の存在につながっているので、変える必要があります。