義肢用の電子皮膚、温度と圧力を感知
Electronic skin for prosthetics to sense temperature and pressure (news.wsu.edu)
要約
ワシントン州立大学の研究者たちが、温度と圧力を高解像度で感知できる新しい電子皮膚を開発しました。この技術は、切断者の義肢に触覚を提供し、機能性を向上させることを目指しています。研究者たちは、人間の皮膚の感覚能力を模倣した、カスタマイズ可能で3Dプリント可能なシステムを使用しました。
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義肢用の電子皮膚、温度と圧力を感知可能に
PULLMAN, Wash. – 感圧・感温システムを備えた電子皮膚は、将来的には切断者の義肢に感覚を取り戻すために使用できるようになるかもしれません。
ワシントン州立大学の研究者らが主導し、学術誌 Cell Reports Physical Science に掲載されたこの研究は、現在の市販グローブセンサーよりも10倍細かいスケールで感知できます。
「このアプローチは、医療グレードのeスキン（電子皮膚）の製造を民主化し、高度な触覚フィードバックを広範な臨床応用で実現可能にします」と、機械・材料工学部の大学院生で論文の筆頭著者であるHongyi Shen氏は述べています。「この研究は、義肢に感覚機能と触覚刺激機能の両方を備えた、完全なバイオニック皮膚のための重要な基盤を築くものです。」
［画像: A robotic hand is fitted with 3D-printed sensor module.］
研究チームが開発した3Dプリントセンサーモジュールを装着したロボットハンド。(写真提供: Sravanthi Yalamanchili/WSU)
触覚刺激は、触覚を再現します。切断者に部分的な感覚を提供することでも、タスクを実行する能力を大幅に向上させることができます。現在、電子皮膚は入手可能ですが、高価で、感知解像度が低いです。また、人々にうまくフィットせず、小さな領域しかカバーしないことがよくあります。実際、eスキンはカスタム形状で作られるほど、感知能力が悪化します。さらに、センシングアレイから生成される大量のデータは、リアルタイムでうまく機能しないことを意味します。
「多くの場合、これらのデバイスは快適さと機械的信頼性の間で妥協を強いられます」とShen氏は述べています。
WSUの研究者たちは、義肢用のカスタマイズ可能なセンシングシステムを開発しました。これは、手足の自由な形状に適合し、その感知能力において実際の人の皮膚をより良く模倣します。彼らが作成したセンサーモジュールは、温度センサーと圧力センサーを組み込んだ薄層のサンドイッチ構造です。これらの要素により、人間のような触覚感知が可能になり、表面の質感や素材の特性を確実に識別できます。
研究者たちは、「スキャン・モデル・プリント」という製造方法を使用しており、これにより、パーソナライズされた3D製造と同時に高密度センシングが可能になります。
「スキャナーは基本的に義肢をスキャンし、そのジオメトリに基づいて、そのジオメトリを持つマルチモーダルセンシングシステムとしてセンサーをマッピングします」と、機械・材料工学部のBerry Family助教授で論文の責任著者であるKaiyan Qiu氏は述べています。「これにより、私たちのセンシングシステムは、義肢の自由な形状領域をシームレスにカバーできます。」
センサーは正確で信頼性が高く、平坦または湾曲した表面全体で高密度に圧力と温度の両方を測定できます。接着剤を必要とする代わりに、センサーモジュールはレゴブロックのようにカチッとはまります。
「3Dプリントとレーザーカットを使用した主な製造方法は比較的シンプルなので、比較的低コストで便利になる可能性があります」とQiu氏は述べています。
このプロジェクトは、機械・材料工学部のPrashanta Dutta教授（Richard Schneider Jr. Professor and director）が率いる、WSUの次世代ロボティクスにおける国立科学財団リサーチ・トレーニングシップ（NRT-LEAD）によって部分的に支援されました。Dutta氏も論文の責任著者です。追加の支援は、Qiu氏のWSUスタートアップおよびCougar Cageファンドから提供されました。
研究者たちは、WSUの研究イノベーション・起業家精神オフィス（Office of Research Innovation and Entrepreneurship）チームとの間で、暫定特許の発明開示を提出しました。また、将来的にはeスキンからのセンシング信号を変換して、切断者が触れているものを知ることができるアクチュエーターの開発にも取り組んでいます。これには、センシング信号を刺激に変換し、近くの神経に信号を送ることが含まれます。
NRT-LEADトレーニング生であるShen氏は、リハビリテーション分野の人々を助けることに長年の関心があり、センサー作業と3Dプリンティングのバックグラウンドを持っています。
「これを行うことで、私の興味を組み合わせることができました」と彼は言います。「このプロジェクトで行っていることは、いつか切断者の生活を私たちのデバイスでより楽にするのに役立つと信じています。」