ポータブルおよびウェアラブル電子デバイスの出現は、社会を完全に変革しました。携帯電話、ラップトップ、スマートウォッチなどのポータブル電子機器は、人々の生活を楽にしてきました。インターネット ビデオ通話を通じて、すぐに接続して、地球の裏側に住む近くにいる人や友人をライブで見ることができます。以前は、シリコンベースの半導体産業がエレクトロニクスおよび情報産業の発展に大きな役割を果たしてきました。
しかし、モノのインターネット（IoT）、人工知能、遠隔健康監視、スマートホーム、ヒューマンマシンインタラクションなどの新技術の登場により、従来のシリコンベースの産業は新たな課題に直面しています。
現在、機械的な柔軟性と電子機能が統合されたウェアラブルエレクトロニクスは、従来のシリコンベースのリジッドエレクトロニクスと比較して、目覚ましい発展と進歩を示しています。
最新の材料科学研究により、柔軟性だけでなく伸縮性のある電子回路を作製することも可能となり、より幅広い用途に使用できるようになりました。
フレキシブルでウェアラブルなエレクトロニクスは、医療およびヘルスケア業界で広く応用されています。人工知能やIoT（モノのインターネット）とセンサーやアクチュエーターなどの医用電子機器の技術融合により、遠隔地から患者の計測や分析を行い、望むケアや治療を提供することが可能になりました。
柔軟で伸縮性のある医療機器とセンサーは身体や対象臓器の周囲に巻き付けて希望の形状を得ることができるため、それらによって取得される測定値は非常に正確です。
これらの柔軟なセンサーは、脈拍数、血圧、呼吸数、pH、血糖値、体温、汗、唾液などの複数の患者データを測定するために使用でき、医療専門家による早期診断に役立ちます。
非柔軟性センサーも以前に開発されており、基板としてシリコンを使用していますが、剛性が高いため、生理学的パラメーターを正確に測定できません。
フレキシブルセンサーは層構造を持ち、最下層はフレキシブルポリマー材料で作られた基板です。センサーの製造に一般的に使用される基板には、ポリエチレン テレフタレート (PET)、ポリイミド (PI)、ポリジメチルシロキサン (PDMS)、ポリピロール、酸化インジウムスズ (ITO) フィルムなどが含まれます。
基板層に加えて、センサーには電気信号をセンサーに出入りさせるための上部電極層と下部電極層の 2 つの電極層があります。
電極層も、基板層と同様に完全な柔軟性を提供するように選択されます。フレキシブル センサーの電極を作成するために一般的に使用される材料は、導電性ポリマー、銀 (Ag) ナノワイヤー、および金、銅、または銀の金属メッシュです。
センサーの最も重要な層は、センサーの中央に配置される活性層です。活性層の材料は、センサーの種類、つまり、圧力センサー、生化学センサー、温度センサー、力センサーなどによって異なります。
センサーが圧力センサーの場合、活性層に使用される材料は、人間の振動、脈拍、心拍などの形式の機械的エネルギーを電気信号に変換できる圧電材料であってもよい。
同様に、センサーが温度センサーの場合、活性層の材料は熱電材料です。柔軟なセンサーでは、活性層の材料も、十分な柔軟性を示し、損傷することなく機械的な曲げをサポートできるように選択されます。
フレキシブル圧力センサーは一般に、望ましい柔軟性を備えた圧電活性層としてポリフッ化ビニリデン (PVDF)、ZnO、P(VDF-TrFR) などを使用します。
ウェアラブルでフレキシブルなセンサーを製造するために、さまざまな技術が開発されています。これらのセンサーの製造に使用される技術には、印刷、エレクトロスピニング、パターン転写、積層造形などがあります。
印刷技術は、これらのセンサーを製造するための最も一般的な技術です。 印刷は、アナログ印刷としても知られるスクリーン印刷であってもよく、またはインクジェット印刷としても知られるデジタル印刷であってもよい。
スクリーン印刷では、マスクを作成してプリンターに送り込み、必要なパターンを印刷するために使用します。初期のほとんどすべてのセンサーと電子回路は、このスクリーン印刷技術によって作られていました。
現在では、マスクの作成が不要なデジタル印刷の時代が到来しました。デジタル印刷では、印刷されるパターンがデジタル的にコンピューターに入力され、コンピューターのコマンドによって自動的に印刷されます。
デジタル印刷はシンプルで使いやすく、手作業が少なくて済みますが、この技術に使用されるインクは、粘度と表面張力の点でいくつかの特定の要件を満たしている必要があります。
一方、エレクトロスピニング技術では、高分子溶液が調製され、シリンジに供給され、シリンジポンプを使用して金属針まで駆動されます。
高電圧が針に沿って印加され、流体の表面張力を破壊することによってポリマー溶液を排出するために使用されます。射出プロセス中にポリマー溶媒が揮発し、安定したポリマー材料がらせん状に堆積し、目的の繊維製品が得られます。
同様に、パターン転写技術では、通常の印刷技術によりマスクを使用してパターンがリジッド表面上に印刷され、その後フレキシブル基板上に転写されます。
作成されたパターンは繊細であり、適切に扱わないと破損する可能性があるため、パターン転写プロセスには特別な注意が必要です。 3D プリンティングとしても知られる積層造形は、複雑な電子デバイスや電気回路の設計を作成するために使用される最新の印刷技術です。
この技術では、印刷は層ごとに実行され、パターンはフレキシブル基板上に次々と印刷されます。この技術を使用すると、複雑なナノ構造または設計を備えた電子デバイスを効果的に製造できます。
柔軟でウェアラブルなセンサーには、多くの一般用途や医療用途があります。特定のユーティリティでの特定のセンサーの導入は、実行する測定または追跡のタイプに依存します。
通常使用されるセンサーは、電気化学センサー、圧力センサーまたはひずみセンサー、温度センサーなどです。身体装着型センサーの例をいくつか図 1 に示します。
これらすべてのセンサーには、特定のターゲット量を測定し、その量を対応する電気信号に変換する活性層があります。ヘルスケアの追跡には、グルコース、汗、唾液、pH、薬物輸送コレステロール測定など、さまざまな種類の電気化学センサーが必要です。
電気化学センサーの基本原理は、感知材料とターゲット物質の間の化学反応がセンサーの電気的状態を変化させ、健康状態の追跡がこの方法で達成されるというものです。
圧力センサーまたは力センサーは、脈拍数、血圧、心拍数など、多くの重要な健康パラメーターを測定するために使用されるセンサーの重要なカテゴリです。
これらのセンサーは、張力、応力、ひずみ、トルクなどの機械的な力を検出し、電気信号に変換します。ヘルスケアでは、抵抗センサー、容量センサー、圧電センサーなど、さまざまな種類のひずみセンサーが使用されます。
抵抗センサーでは、機械信号の検出時に感知布の抵抗が変化し、抵抗の押し出しは電気信号の側の押し出しの形状内で考慮されます。
同様に、静電容量センサーでは、機械的な力や圧力の変化に応じてセンサーの静電容量が変化し、電気信号の形で反映されます。
圧電センサーは、機械的な力または圧力を検出すると、端子間に電圧を発生させるセンサーです。多くの鉛ベースのセラミック材料およびポリマーは圧電特性を示し、このようなセンサーに直接使用されます。
圧力センサーに関する最新の研究によると、積層造形によって製造された多孔質構造またはナノアーキテクチャ設計を使用して、これらのセンサーの出力または感度を向上させることができます。
ウェアラブル センサーの別のカテゴリは温度センサーです。これらのセンサーは体温の変化を検出し、その出力を電気信号の形で反映します。
温度センサーには主に抵抗センサーと焦電センサーの 2 種類があります。抵抗温度センサーでは、展開された材料の抵抗が温度の変化とともに変化します。
したがって、出力電気信号もそれに応じて変化します。金属酸化物、CNT、グラフェン、およびポリマー複合材料は、抵抗温度センサーの製造に一般的に使用される材料です。
焦電センサーの場合、温度の変化に応じて材料の分極が変化します。分極の変化は、温度に関して校正された電気信号の生成にさらに使用されます。
これらに加えて、現在では多機能センサーも入手可能です。多機能センサーでは、異なる機能を持ついくつかの層が積み重ねられ、温度や圧力などの複数の量を同時に検出するために使用されます。
これらの複数の層は電極間に挟まれ、構造全体がポリマーベースで構成される基板材料上に堆積されます。医療現場でひずみと温度を同時に計測できる多機能センサーの作製に成功した。
上記の議論から、フレキシブルおよびウェアラブル センサーが過去数年間で大きな進歩を遂げたことは明らかです。これらのセンサーは、人工知能やモノのインターネットと組み合わされて、社会で数多くの用途に使用されています。 ヘルスケア・医療分野におけるウェアラブルセンサーの貢献は著しく、今後もその貢献はさらに高まることが予想されます。
複数の量を同時に測定できる多機能センサーは、非常に有望に見えます。また、積層造形技術は、ウェアラブル センサーの複雑な 3D 設計の製造に非常に有益であることが証明されています。
ウェアラブルセンサーの多孔性を制御してセンシング能力を強化するというコンセプトも新しく、インテリジェントな方法で実装されれば良好な結果が得られると期待されています。
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