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ウェアラブルの未来（パート2）：新しい技術はどのように機能するのか？

By Jerilyn Covert

ウェアラブル・テックの未来に関する2部作の2回目です。パート1（こちらをお読みください）では、未来のウェアラブルはどのようなものになり、何を実現するのかを探ります。

2022年8月23日 - あなたのスマートフォンを手に取ってみてください。そう、何度も持っている、あなたの手の延長のようなものです。しかし、ある実験をしてみましょう。スマートフォンの両端をつかみ、伸ばせるところまで伸ばしてみてください。今度はねじってみてください。前腕に巻きつけます。クールでしょう？今度は折り返してみましょう。

携帯電話が曲げたり伸ばしたりできないってどういうこと？

この想像力の訓練は、ウェアラブルの領域で何が可能かを示しています。現在、スマートウォッチや携帯電話は、プラスチックや金属でできた硬くて柔軟性のないブロックです。しかし、明日にはそれが一変します。

ノースカロライナ州立大学電気工学科の教授で、健康を支援するウェアラブルの開発を行う連邦政府出資の研究機関ASSISTセンターのディレクターであるヴィーナ・ミスラ博士は、「ウェアラブルでは、柔軟性、伸縮性、洗浄性がすべて重要な要件です」と言います。

「ウェアラブルに関する論文の数を見れば、そのことがわかるでしょう。その数は、指数関数的に増えています」。

ウェアラブルは、消費者向けの楽しいガジェットと思われがちですが、医療を劇的に向上させるという意見も増えています。有害事象を予測し、病気を詳細に追跡するための継続的な長期モニタリングの手段を提供し、世界中の治療と健康状態を改善します。

そのためには、ウェアラブル端末が私たちの身体とシームレスに連動する必要があります。つまり、従来は硬かった機器やシステムを、人間の皮膚のように柔らかく、曲げたり伸ばしたりできるようにする必要があるのです。

どうやってそれを実現するのか？それは、分子レベルでエレクトロニクスを設計し直し、センサーを小型化し、前代未聞の電源を開発することで、エンジニアが言うところの皮膚のような「フォームファクター」をサポートすることです。

これはSFではありません。そして、これらの進歩が生み出す新製品は、ヘルスケアから始まり、消費者向けウェルネス市場にまで広がる可能性があります。その方法をご紹介します。

なぜフォームファクターが重要なのか？

身体にフィットするウェアラブルは、2つの重要な点で優れています。それは、ユーザーにとって邪魔にならないこと、そして、より信頼性の高い測定を可能にすることです。

「センサーやセンサーシステムは、多くの場合、機械的な不一致に悩まされます」と、NC StateとASSISTの電気エンジニアでありミスラの同僚でもあるアルパー・ボズクルト博士は言う。「動き回る柔らかい組織と、動き回らない硬いセンシングデバイスがあると、測定の信頼性が損なわれる可能性があります」。

それは、測定器と体の間で余計な動きがあると、それが「ノイズ」として現れるからだ。ノイズは意味のない情報であり、測定を歪め、誤った結論を導く可能性がある。

さらに、「ヒューマンファクター」、つまりコンプライアンスの問題もある、とボズクルトは指摘する。

研究室で設計し、すべてをテストして、医療従事者のところに持っていくと、彼らは眉をひそめて、『いや、私の患者はこんなものをつけるつもりはない』と言うのです」とBozkurt氏は言います。「コンプライアンスの問題を解決しない限り、ウェアラブルの未来は考えられません。

人々は、快適で出っ張りがなく、ほとんど操作を必要としないデバイスを求めている、とBozkurt氏は言います。私たちは、"ウェア・アンド・フォーゲット "と呼んでいます。バンドエイドに例えるなら、時折気になるけれども、日常業務に支障をきたすことなく、また他の人に気づかれることもなく、その存在が忘れ去られていくようなものです。

NC State/ASSISTチームのメンバーであるMichael Daniele博士は、ソフトナノ材料を研究し、身体機能を監視、模倣、補足するデバイスを設計しています。

ウェアラブルデバイスは、「患者の快適さを優先する」方法で、患者を支援し、治療するために開発されている、と彼は言う。

例えば、下肢装具のソケットに電極や電子機器を使用することを例に挙げて、次のように語っています。例えば、下肢装具のソケットに電極や電子機器を使用する場合、「自分の体重を支えている手足に、数本の金属ネジを押し込んだり、靴の中にたくさんの石を詰め込んだりすることを想像してみてください。それが、そのようなユーザーにとってのウェアラブルの状態です。"

なるほど、ではどうやって電子機器を柔らかく伸縮させるのか？

シリコンチップのように、健康をモニターするために使われる硬いものを、非常に薄くし、柔軟性を持たせることが一つの方法です。このような材料技術を、皮膚のようなウェアラブルデバイスで最初に実証したのは、2011年にScience誌に発表した「Epidermal Electronics」と題するジョン・ロジャース博士である。

当時イリノイ大学に在籍し、その後ノースウェスタン大学に移ったロジャーズ教授は、「私たちは何年も前から、この分野でかなり活発に活動していました」と言う。「しかし、その時、多くの人が非常に硬くてもろい岩石のような材料だと思っているシリコンでさえ、曲げたり伸ばしたりできるような形や厚みにできることに気づいたのです」。

ロジャースのチームは、いくつかのアプリケーションを開発中ですが、半導体ウェハーの表面を削り取るエッチング技術を使用しています。

「その結果、集積回路のすべての動作は、その表面に近い層で起こっていることがわかりました。「その下のシリコンはすべて、機械的な支持体として機能しているのです」。

この重要な層を弾性ポリマーマトリックスに埋め込むことで、曲げたり、ねじったり、伸ばしたりできる、完全に機能するシステムを設計することができる、とロジャーズは説明する。

また、別のアプローチで、もともと柔らかくて伸縮性のある素材であるポリマーから、電子部品を一から作り上げる人もいる。スタンフォード大学の化学エンジニアであるZhenan Bao博士は、導電性を有するさまざまなポリマーを使って、このような研究を行っている。

「私たちの研究によって、プラスチック分子を設計し、私たちが望む機能や特性を持たせる方法について、基本的な理解が得られました」とバオは言う。皮膚のようなエレクトロニクスを実現するために、プラスチックは分子レベルで、導電性、弾性、柔軟性を持つように設計されています」。

バオの研究室で生まれた最新の作品のひとつに、皮膚のような視覚ディスプレイを可能にする、光を放つポリマーがある。また、医師が患者の肌の質感を3次元のリアルなディスプレイで見たり感じたりできるような遠隔医療を実現することも考えています。例 心不全患者の水分貯留がひどいかどうかを調べる検査として、皮膚を押して跳ね返ってくるかどうかを調べる方法があります、とBao氏は言います。患者は電子ステッカーを足に巻き、それを押すことで、離れた場所にいる医師のためにディスプレイを生成することができます。「医師は、患者が感じる皮膚の感触を、遠隔地からディスプレイで感じ取ることができるのです」。

「もちろん、まだまだ先の話です」とバオは指摘する。「しかし、これが、皮膚のようなディスプレイとセンサーによって可能になることなのです」。

もっとワイルドな進歩 液体金属、プラズマボンディング、化学センサー

このほかにも、まだまだ開発は続いている。液体金属の進歩により、伸縮自在の導電性ワイヤーが可能になりました。繊維を使った耐湿性アンテナは、皮膚に密着させてデータを送信できる。水蒸気プラズマ接合などの方法は、柔軟性を失わず、超薄型電子機器を損傷させる高温・高圧を使用せずに、薄い金属を柔らかいポリマーに接合することができる。

センサーも進化しています。センサーとは、測定対象物と相互作用する部分です。市販されているウェアラブルセンサーのほとんどは、機械的なもの（運動量の記録など）や光学的なもの（心拍、パルスオキシメトリーなど）です。しかし、体内のマーカーを測定するための化学センサーも開発されています。カリフォルニア大学サンディエゴ校の科学博士でナノ工学の教授であるジョセフ・ワンは、バイオセンサーとウェアラブルデバイスに関する研究を発表しており、これらは健康の全貌を明らかにする上で非常に重要であると言う。

例えば、乳酸値の上昇と血圧の低下は敗血症性ショックを意味します。カリウム濃度を測定すれば、心拍数の変化に関する情報を得ることができます。また、血圧とグルコース測定を組み合わせれば、どちらか一方だけよりも代謝の健康状態がわかるかもしれません。「これらを組み合わせれば、より良いエビデンスが得られるのです」と王は言う。

ここが、この新技術が本当にマニアックになるところだ。化学センサーは、グラフェン、カーボンナノチューブ、金ナノ粒子など、最もエキゾチックなナノ材料で作られていると、ダニエレは言う。特にグルコースセンサーには、標的分子に結合する酵素を使うものがある。また、DNAやRNAの短い一本鎖であるアプタマーを利用するものもある。

化学センサーは通常、汗、唾液、涙などの体液や、連続グルコースモニターのように間質液（体内の細胞と細胞の間の液体）を使って作動する。

シンシナティ大学電気工学科のジェイソン・ハイケンフェルド教授は、「血液で測定したいことのほとんどは、センサー技術さえあれば間質液でできるようになります」と言う。皮膚パッチを貼るだけで血液検査ができ、血液サンプルも必要ないなんて、想像してみてください。

ハイケンフェルドは、汗についても研究している。汗は、ストレス、セックス、睡眠などを調節するホルモンレベルの測定や、処方薬のモニタリング（体内の薬物レベルやその代謝の速さのモニタリング）に有用だと彼は言う。

汗のセンサーは、家庭での検査にも使えるかもしれない、とハイケンフェルドは言う。「生体液のピープルズ・チョイス・アワードがあれば、汗が選ばれるでしょう」と彼は言う。「血液は嫌だし、ヨダレをカップに入れるのも嫌だし、尿瓶に入れるのも嫌だし、涙も嫌だ。涙もだめだ。検査は腕に貼るだけの簡単なもので、体液を採取して封筒に入れ、研究所に郵送するのです」。

ウェアラブル電源。単三電池を超える

伸縮自在で柔軟な電子機器を作るには、伸縮自在で柔軟な、さらには洗濯可能な電源が必要だ。スマートウォッチなど、現在のウェアラブル端末の多くは、非常に小さいが硬い電池で駆動していると、Bao氏は言う。そのため、かさばる形になっているのです。

「高エネルギー密度で真にフレキシブルなバッテリーには、大きな需要があるのです」。

この需要に応えるため、世界中の研究者が伸びたり曲げたりできる電池の開発に取り組んでいます。最近の例を挙げると、カナダの研究者は、元の長さの2倍に伸ばしても機能する、柔軟で洗える電池を開発しました。シンガポールでは、紙のように薄くて生分解性の亜鉛電池を開発しました。この電池は、紙と同じように曲げたりねじったり、はさみで切ったりしても機能します。また、電池を細長く加工して、スマートな衣服に使用する研究も進んでいます。

もうひとつの選択肢は、ワイヤレス給電だとバオは言う。バッテリーはデバイスの中にある必要はなく、服やポケットの中にあっても、センサーに電力を供給することができるのです」。スタンフォード大学のBao教授の研究室では、BodyNetと呼ばれるステッカー状のウェアラブルを開発しました。これは、鍵のない部屋の入室管理に使われているのと同じ技術である無線周波数認証を利用して充電することができます。

また、ミスラやASSISTの同僚たちのように、エネルギーハーベスティング（体温、太陽エネルギー、動きを電力に変換すること）など、電池に代わるものを研究している人もいる。

ミスラは、皮膚と部屋の温度差をエネルギーに変換し、機器に電力を供給するエネルギー発生装置を研究しています。「例えば、あなたの皮膚の温度は98.6度だとします。「部屋の温度はおそらく華氏70度くらいでしょう。その温度差28度を熱電発電機と呼ばれる装置で落とし、そのエネルギー差を電力に変換することができるのです」。

想像してみてください。もう、電池が切れたり、水に濡れたり、充電しなければならない心配はありません。「あなたの体がバッテリーなのです」とミスラは言います。

次に来るもの

ウェアラブル端末が真にその可能性を発揮するためには、すべての部品の電力効率が向上し、柔軟で伸縮性のあるパッケージにまとめられなければならないとミスラは言います。また、何百万、何千万という人々が身につけたくなるようなデザインでなければなりません。

それと同じくらい重要なのが、医療用デバイスだ。医療用デバイスは、最高品質のデータを提供しなければなりません。もし、収集されたデータがゴールドスタンダードでなければ、何の意味もないでしょう。そして、収集されたデータはすべて、有用な情報に変換される必要があります。そこで、データ解析、機械学習、人工知能の出番となるわけです。「ミスラは、「これらは解決不可能な問題ではなく、多くのコミュニティが取り組んでいるエキサイティングな問題なのです」と述べています。

結論。ウェアラブルの未来は、もうそこまで来ているのです。