新研究：ウェアラブルヘルスケアデバイス用バイオ電極の柔軟性と耐久性を飛躍的に向上

Tokyoヘルスケアとフィットネス産業は、身体の信号を継続的に追跡できるウェアラブルデバイスの登場により急速に変化しています。2033年までには、これらのデバイスの市場価値が5720.6億米ドルに達すると予測されています。しかし、現在の生体電極には柔軟性が十分でないことや通気性に欠けるといった問題があり、長時間の使用において快適とは言えません。

東京工業大学の堀井達洋助教と藤江俊則准教授を含む研究チームは、従来の問題を解決する新しいバイオ電極材料を開発しました。この材料は、NPG Asia Materials誌で説明されており、伸縮性があり、通気性が良く、肌に密着する特性を持っています。

単層カーボンナノチューブ（SWCNT）からなる導電性繊維ネットワークが特徴で、伸縮性のあるポリ(スチレン-b-ブタジエン-b-スチレン) (SBS) ナノシートに支えられています。複数の層からなり、厚さは431 nmと非常に薄くなっています。主な特性として、柔軟性、湿気の透過性、耐久性が挙げられます。

堀井氏は、自己支持ができて伸縮性があり、湿気を通し、肌にぴったりと合って動きを妨げない電極を求めていると説明しています。

チームは、SWCNTを含む水ベースの混合物を使用し、SBSナノシートの上に層ごとに重ねて適用しました。この方法により、バイオ電極は伸縮性と通気性を兼ね備えています。SWCNTの層を多くすることで、材料の硬化が促進され、その弾性率は一層では48.5 MPaから、三層では60.8 MPaに、そして五層では104.2 MPaまで向上させつつ、柔軟性を損なわない結果となりました。

関連記事:

昨日 · 21:08

17世紀の保育で貧困女性に活路を

SBSナノシートは、コーティングなし、または1層または3層のSWCNTをコーティングした場合、伸長前の長さの380％まで伸ばすことができ、永久的に変形することはありません。これは、30％未満で破損してしまう金などの金属電極よりもはるかに優れています。

バイオ電極には汗の形成を防ぐことが重要です。SWCNTネットワークの繊維構造は、固体フィルムよりも空気を通しやすくしています。テストの結果、SWCNT 3rd-SBSは2時間で28,316 g/m²の水蒸気透過率を示し、通常の皮膚の2倍の値でした。

耐久性試験の結果、これらのバイオ電極が非常に強靭であることが示されました。チームはこれらを人工汗の中に置き、何度も曲げてテストしましたが、抵抗値の上昇はごくわずかで、汗では1.1倍、300回の曲げ操作後では1.3倍にしかなりませんでした。さらにSWCNT 3rd-SBSナノシートは、10回擦ってもその位置を保持し続けるため、長期間の使用に適しています。

パフォーマンステストにおいて、新しいバイオ電極は標準的なAg/AgClゲル電極と比較され、グリップ動作中に表面筋電図（sEMG）を使用して評価されました。3層のSWCNTを持つSBSナノシートは、信号対雑音比が24.6 dBで、Ag/AgClゲル電極の33.3 dBに近い数値を示しました。藤江氏は、「私たちは、肌に優しく水蒸気の透過性が良好なバイオ電極を作り、sEMGテストで伝統的な電極と同等の性能を発揮することを確認しました」と述べています。このことは、将来のウェアラブルヘルスケアデバイスへの可能性を示しています。

この新しい技術により、バイオ電極はより快適で耐久性があり、精度も向上します。研究者や開発者はこれらの変化に注目するべきであり、ウェアラブル健康デバイスの基本的な問題を解決するものです。この改善によって健康モニターはさらに信頼性が高まり、寿命も延びる可能性があり、ユーザーだけでなく医療分野全体に利益をもたらすでしょう。