人工知能の発展により、環境を認識し、人間機械とシームレスに接続されたより柔軟なセンサーを実現できるようになりました。多くの柔軟なセンサーの中で、最も広く研究されているのが電子スキンです。電子皮膚は、圧力センサー、温度センサー、湿度センサー、ひずみセンサーなどを含むセンサーアレイであり、生物学的な皮膚感知環境を模倣します。構造はシンプルで、外皮や機器の表面に取り付けることができます。



生体的な皮膚には、さまざまな形状、質感、温度変化や圧力を感知し、これらの複雑な信号を電気信号に変換できる複数の組織や神経があります。これらの電気信号が中枢神経系で処理されると、生物たちは環境刺激と相互作用します。生物学的皮膚の原理に基づき、外部刺激を電気信号に変換するさまざまな伝導法を用いることが、電子皮膚研究の基本的な理論的基盤です。

電子外皮は一般的に電極、誘電体材料、活性材料、そして柔軟な基板で構成されています。能動機能層は環境刺激を検出可能な点信号に変換します。誘電体材料は通常、能動機能層の両側に電極層として用いられ、電気信号の受信・送信に用いられ、柔軟な基板は電子皮膚を運びつつ生物学的な皮膚を保ちます。あるいは他の素材の互換性も。



電子皮膚の原理自体は複雑ではありませんが、外部部品としての電子皮膚は損傷しやすく、頻繁に変形特性を呈するため、材料選択において大きな課題に直面しています。柔軟な基材と有効素材は、電子スキンの開発と選択において極めて重要です。
 
柔軟な基材
従来のセンサーは通常、無機シリコンに基づいています。フレキシブルセンサーに使用される柔軟な基板は、無機シリコン基板の絶縁に加え、透明かつ柔らかいものが求められ、美的かつ複雑な機械的変形を実現します。既存の柔軟な基質には、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、ポリエチレン(PE)、ポリウレタン(PU)などがあります。電子皮膚はPDMSとPIを基質として採用します。これはPDMSが優れた柔軟性と柔軟性を持ち、PDMSが電子材料との接合性が良いためです。PDMSは構造要件を満たすために特定の幾何学形状に準備することができます。PIは断熱性と化学的安定性に優れているだけでなく、強い曲げ性能を持ち、大きな応力条件下でも物理的な損傷がないため、電子皮膚に広く使われています。




能動機能層
アクティブ機能層は電子皮膚の最も重要な構成要素です。温度、湿度、圧力などの環境刺激を電気信号で定量的に表現し、電子皮膚に環境を知覚する能力を与えます。一部の高精度で柔軟なセンサーは人間の皮膚よりも感度が高く、微かな空気の変動や呼吸による心拍振動を識別できます。



電子皮膚機能層の研究において、圧力機能層で最も広く研究される触覚クラスは、圧力電子皮膚または触覚電子皮膚と呼ばれます。機能層の原理によれば、圧力電子の外皮は圧電抵抗型、圧力容量型、圧電型、トライボエレクトリック型に分けられます。


圧阻型:外力は抵抗の変化(加えられた圧力の平方根に比例)に変換されるため、電気試験システムで外部力の変化を間接的に検出しやすくなります。導電性材料間の導電経路の変化は、圧阻性検出信号を得るための一般的なメカニズムです。これらのセンサーは、そのシンプルな装置と信号読み出し機構のため広く使われています。
圧力静電容量型:静電容量は、平行板間で電荷を保持できる能力を測る物理量です。従来の静電容量センサーは、対向領域sや平行板間隔dを変化させることで、圧力やせん断力などの異なる力を検出します。圧力容量の主な利点は、力に敏感で、小さな静的力を検出するために低い静エネルギーを達成できることです。

圧電タイプ:圧電材料は機械的圧力下で電荷を発生させる特殊な材料です。この圧電特性は、存在する電気双極子モーメントによって引き起こされます。電気双極子モーメントは、向きを持つ非中心対称の結晶構造、または孔内に電荷が持続する多孔質エレクトレットの変形によって得られます。圧電係数は、圧電材料のエネルギー変換効率を測定する物理量です。圧電係数が高いほど、エネルギー変換の効率も高くなります。高感度で高速かつ高電圧の電気圧電材料は、圧力を電気信号に変換するセンサーに広く使われています。

カーボンナノチューブ(CNT)やグラフェンは優れた機械的特性と化学的安定性を持っています。また、非常に高い電子伝達能力を持ち、電子移動度は10,000 cm2 V-1S-1 ~20000 cm2 V-1S-1に達します。優れた圧阻抵抗性と圧電特性を持ち、圧阻抵抗性および圧電活性層の優れた材料です。単純なシリコン(Si)、酸化亜鉛(ZnO)、ガリウムヒ素(GaAs)、カドミウムセレン化物(CdSe)は、エラストマー(PDMS、スポンジ)と併用できるため、大面積の柔軟な電子電子スキンでは使用が難しいです。有機化合物を効率的に有効物質にするために、多孔質物質を混入します。



概要
材料科学、柔軟な電子工学、ナノテクノロジーの急速な発展により、電子的な皮膚感度、範囲、サイズ、空間分解能の基本性能は人間の皮膚を超えて急速に向上しています。同時に、力、熱、湿度、気体、生物学、化学などの多刺激分解能の感知要件に適応するため、装置設計はよりコンパクトで、積分方式も成熟しています。生体適合性、生分解性、自己修復、自己エネルギー、可視化などの実用的な機能を持つスマートセンサーデバイスも登場しています。さらに、電子スキンは統合にも向かっており、タッチセンサーは電源、無線トランシーバーモジュール、信号処理、アクチュエーターなどの関連機能部品と効果的に統合され、特定の用途向けに柔軟性、空間適応性、機能的なウェアラブルプラットフォームを実現しています。これらの課題に対応することで新たな機会が生まれ、関連材料の準備、デバイス処理、システム統合の将来の方向性が示されます。電子スキンはより柔軟で薄く、知的で多機能で人間味あふれるものになることは間違いありません。