2023-02-02 ペンシルベニア州立大学(PennState)
◆この新しいセンサーは、塩化ナトリウムで処理した紙に鉛筆で手描きできるほど安価でシンプルに製造できるため、「スマートおむつ」だけでなく、心停止や肺炎などの重大な健康問題を予測するための装着型自己発電型健康モニターへの道を開く可能性があります。
◆チェンは、信頼性の高い手描き電極センサーの設計と製造プロセスについて説明した、Nano Letters誌に掲載された新しい研究の主執筆者です。このセンサーは、塩化ナトリウム溶液で処理した紙に鉛筆で描かれ、作成されます。この水分センサーは湿度の変化に非常に敏感で、5.6%から90%までの幅広い相対湿度において正確な測定値を提供します。
◆この装置は、紙が湿度の変化に自然に反応することを利用し、鉛筆の中の黒鉛が水分子や塩化ナトリウム溶液と相互作用することを利用しています。水分子が紙に吸収されると、溶液がイオン化され、鉛筆の黒鉛に電子が流れ始め、センサーが作動し、環境の湿度変化を検知してスマートフォンに信号を送り、データを表示・記録します。
◆つまり、あらかじめ処理された紙に、あらかじめ処理された線内で描画することで、小型化された紙の回路基板ができあがるのです。この紙を銅線と導電性銀ペーストでコンピューターに接続すると、環境湿度検知器として機能する。スマートオムツやマスクによる呼吸モニタリングなどのワイヤレスアプリケーションでは、描画を小さなリチウム電池に接続し、Bluetooth経由でスマートフォンにデータを送信するための電力を供給します。
◆呼吸モニターは、溶液処理したマスクに直接電極を描きました。このセンサーは、口呼吸と鼻呼吸を容易に区別し、深い呼吸、規則的な呼吸、急速な呼吸の3つの呼吸状態を分類することができた。Chengは、収集したデータを使って、呼吸停止や息切れなどさまざまな病状の発症を検出し、スマートなモノのインターネットや遠隔医療に機会を提供できると説明した。
◆また、呼吸数は基本的なバイタルサインであり、心筋梗塞や肺炎、臨床悪化などさまざまな病的状態の早期指標となることが研究により明らかになっていると付け加えました。また、認知負荷、暑さ、寒さ、肉体的努力、運動誘発性疲労などの精神的ストレス要因も示すことができます。
◆湿度センサーの用途は、「スマートおむつ」や呼吸・発汗のモニタリングにとどまらないとChengは説明しています。研究チームは、指がセンサーに触れることなく、指の存在から空気中の湿度変化を感知できる非接触型スイッチとしてもセンサーを展開した。研究チームは、この非接触スイッチを使って、小型エレベーターの操作、キーボードの演奏、LEDアレイの点灯を行った。
＜関連情報＞
- https://www.psu.edu/news/research/story/new-sensor-enables-smart-diapers-range-other-health-monitors/
- https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c04384
健康モニタリングと皮膚診断のためのNaCl水溶液処理されたPencil-on-Paper湿度センサー Pencil-on-Paper Humidity Sensor Treated with NaCl Solution for Health Monitoring and Skin Characterization
Guangyu Niu, Zihan Wang, Ye Xue, Jiayi Yan, Ankan Dutta, Xue Chen, Ya Wang, Chaosai Liu, Shuaijie Du, Langang Guo, Peng Zhou, Huanyu Cheng and Li Yang
Nano Letters Published:December 30, 2022
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04384
Abstract
Although flexible humidity sensors are essential for human health monitoring, it is still challenging to achieve high sensitivity and easy disposal with simple, low-cost fabrication processes. This study presents the design and fabrication of highly reliable hand-drawn interdigital electrodes from pencil-on-paper treated with NaCl solution for highly sensitive hydration sensors working over a wide range of relative humidity (RH) levels from 5.6% to 90%. The applications of the resulting flexible humidity sensor go beyond the monitoring of respiratory rate and proximity to characterizations of human skin types and evaluations of skin barrier functions through insensible sweat measurements. The sensor array can also be integrated with a diaper to result in smart diapers to alert for an early diaper change. The design and fabrication strategies presented in this work could also be leveraged for the development of wearable, self-powered, and recyclable sensors and actuators in the future.
