UC San Diegoのスタンドアローン汗センサーは、即時読み取りが可能。(Standalone Sweat Sensor from UC San Diego Provides Immediate Readout)

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ディスプレイを搭載したスタンドアローン型ウェアラブルデバイスを開発。 UC San Diego engineers have developed a standalone wearable device with display

2022-10-06 カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)

カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアは、指で押すだけで、汗のグルコース、乳酸、ナトリウム、pHのレベルを表示できる、薄くて柔軟で伸縮性のある汗センサーを開発した。このセンサーは、外部機器と有線または無線で接続することなく、センサーを単独で動作させ、測定結果を直接視覚化できる初のスタンドアローン型ウェアラブルデバイスである。
この小さな円盤状のパッチは、2つの内蔵電池、マイクロコントローラー、センサー、回路、伸縮可能なディスプレイなど、ウェアラブルセンサーに必要なすべての部品を含むユニークなデザインになっている。これにより、電源の投入から結果の表示まで、ウェアラブルセンサーの操作に不可欠なすべての機能をカバーしている。
マイクロコントローラーを除くすべての部品と相互接続は、カスタマイズされたエラストマーインクを使って製造されている。このインクは、低コストで高スループットのスクリーン印刷を使って、伸縮性のあるポリマーシートに印刷することが可能。
デバイスの製造には、9種類の異なる伸縮性インクの調合が必要で、これらは、バッテリー、回路、ディスプレイパネル、センサーの印刷に使用された。このデバイスは、伸縮性ポリマーシートに1層ずつ印刷され、ハイドロゲルやマイクロコントローラチップとともに完成したデバイスに組み立てられる。各インクは、電気的、化学的、機械的性能のバランスを取りながら、他の層との互換性を確保するために最適化された。
この研究では、システムの各コンポーネントにストレステストを行い、ディスプレイ、センサー、バッテリーが1500サイクルにわたって最大20%まで伸張しても、性能にほとんど影響がないことを確認した。また、バッテリーは、パッチが1週間以上ノンストップで使用できるように十分なパワーを備えている。
このパッチが持つ幅広い応用の可能性を示すために、研究者らは、ナトリウムセンサー、pHセンサー、乳酸センサー、グルコースセンサーという4種類のセンサーを使ったデモンストレーションを行った。それぞれのセンサーは、運動中の汗に含まれるさまざまな指標を測定した。
研究チームはまた、接着剤でできた流体チャネルを組み込み、パッチを皮膚に接着させ、汗がセンサーを横切って流れるように誘導した。パッチには小さなスイッチ機構があり、ユーザーがスイッチを押すと同時に、測定している化学物質の濃度が瞬時にディスプレイに表示される。
研究者らは、10個の個別ピクセルで構成されるディスプレイパネルを設計し、ピクセルの異なる番号を点灯させることで化学物質の濃度を表示するようプログラムした。ディスプレイの動作条件を最適化した結果、各ピクセルは1万サイクルにわたって可逆的にオン・オフでき、これは1週間の稼働に十分すぎるほどである。画素の色が変わるまでの時間は500ミリ秒だがが、その間に消費される電力は平均80マイクロワットである。

<関連情報>

プリント電池とエレクトロクロミックディスプレイを統合した伸縮自在の表皮発汗センシングプラットフォーム A stretchable epidermal sweat sensing platform with an integrated printed battery and electrochromic display

Lu Yin,Mengzhu Cao,Kyeong Nam Kim,Muyang Lin,Jong-Min Moon,Juliane R. Sempionatto,Jialu Yu,Ruixiao Liu,Connor Wicker,Alexander Trifonov,Fangyu Zhang,Hongjie Hu,Jose R. Moreto,Jaekyung Go,Sheng Xu & Joseph Wang
Nature Electronics  Published:06 October 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41928-022-00843-6

Abstract

Wearable electronic devices are of potential use in various health monitoring applications including non-invasive chemical sensing. However, such platforms are typically limited by the need to connect to external devices for power and data visualization. Here we report a stretchable epidermal sweat sensing platform that integrates a stretchable battery and a low-power digital electrochromic display. The patch can operate as a standalone device to directly display the concentration of various electrolytes or metabolites in sweat, such as glucose and lactate, without any wired or wireless connection to external devices. It consists of electrochemical sensors, a stretchable Ag2O–Zn battery, ten individually addressable electrochromic pixels and a small microcontroller unit. All the components and interconnections, except the microcontroller, are fabricated via the high-throughput screen printing of customized elastomeric or silver inks. The integrated system is robust to mechanical deformation and is unaffected by 1,500 stretching cycles at 20% strain. The electrochromic display exhibits stability for 10,000 on/off cycles, and the battery can power 14,000 sensing sessions over a week-long use.

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