自己の層

2023 年 6 月 1 日

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アンドリュー・マイヤーズ著、スタンフォード大学

人間の皮膚ってすごいですね。 温度、圧力、質感を感知します。 何度でも伸びたり戻ったりすることができます。 そして、細菌、ウイルス、毒素、紫外線などの外部の脅威と体の間に障壁を提供します。 したがって、エンジニアは合成スキンの作成に熱心です。 彼らは、皮膚のような特質を備えたロボットや義肢を想像します。その特質の中でも特に皮膚の驚くべき治癒能力が挙げられます。

「私たちは、治癒中に自動的に再調整される多層薄膜センサーの最初のデモンストレーションと思われるものを達成しました。これは、人間の皮膚を模倣するための重要なステップです。皮膚には複数の層があり、治癒中にすべてが正しく再構成されます。」治癒過程です」とクリス・クーパー博士は語った。 スタンフォード大学の候補者であり、ポスドク研究者のサム・ルートとともに、サイエンス誌に掲載された新しい研究の共著者である。

肌のさまざまな性質を模倣するには、レイヤリングが重要です。 「柔らかくて伸縮性があります。しかし、穴を開けたり、スライスしたり、切ったりすると、各層が選択的に自ら修復して全体の機能を回復します」とルート氏は言う。 「まるで本物の肌のよう。」

皮膚も層で構成されています。 分子認識とシグナル伝達を含む複雑なプロセスを通じて組織を元の層状構造に再構築する免疫機構が進化したばかりです。

「真の『スキン』では、レイヤーは自然かつ自律的に再調整されるはずです」とクーパー氏は言う。

ルート氏は、スタンフォード大学のジェナン・バオ教授が率いるチームは、それぞれ1ミクロン、あるいはそれ以下の薄さの個別の機能層を備えた多層の合成皮膚を作成できる可能性があると述べている。 10 層以上重ねても紙 1 枚の厚さにならないほど十分に薄い。 「ある層は圧力、別の温度、そしてさらに別の緊張を感知するかもしれません」とルート氏は言う。 さまざまな層の材料は、熱的、機械的、または電気的な変化を感知するように設計できます。

「私たちは、2012 年に初の多層自己修復合成電子皮膚を Nature Nanotechnology 誌に報告しました」と Bao 氏は言います。 「それ以来、多層合成皮膚の追求には世界中で大きな関心が集まっています。」 彼らの現在の研究が他と異なる点は、治癒プロセス中にレイヤーが自己認識して同様のレイヤーと整列し、治癒するにつれて機能をレイヤーごとに回復することです。 既存の自己修復合成スキンは、人間が手動で再調整する必要があります。 層のわずかなずれでも、機能の回復が損なわれる可能性があります。

その秘密は素材にあります。 各層の主鎖は、DNA 鎖の二重らせんを保持するものと同様の動的水素結合によって周期的に接続された長い分子鎖で形成されており、材料が引き裂かれることなく繰り返し伸縮することができます。 天然ポリマーとしてはゴムとラテックスがよく知られていますが、合成ポリマーも無数にあります。 重要なのは、ポリマーの分子構造を設計し、各層（あるポリマーの最初の層、別のポリマーの 2 番目の層など）に適切な組み合わせを選択することです。

研究者らは、PPG (ポリプロピレングリコール) と PDMS (ポリジメチルシロキサン、シリコーンとしてよく知られています) を使用しました。 どちらもゴムのような電気的および機械的特性と生体適合性を備えており、ナノまたはマイクロ粒子と混合して導電性を実現できます。 重要なのは、選択したポリマーとそのそれぞれの複合材料が非混和性であることです。水素結合により互いに混ざり合うことはありませんが、水素結合により互いにしっかりと接着し、耐久性のある多層材料を作成します。

どちらのポリマーも、温めると柔らかくなり流動しますが、冷えると固まるという利点があります。 したがって、研究者らは人工皮膚を温めることで治癒過程を早めることができた。 室温では治癒に 1 週​​間ほどかかる場合がありますが、わずか 70°C (158°F) に加熱すると、自己位置合わせと治癒は約 24 時間で起こります。 2 つの材料は、適切な温度範囲にわたって外部応力に対して同様の粘性および弾性応答を示すように慎重に設計されています。

「皮膚の治癒も遅いんです。先日指を切ってしまいましたが、4、5日たってもまだ治っていました」とクーパーさんは言う。 「私たちにとって最も重要なのは、私たちの努力や努力なしに治癒して機能を回復できるということです。」

プロトタイプの成功により、研究者らはスタンフォード大学のレニー・ジャオ教授と協力してさらに一歩進め、ポリマー層に磁性材料を追加して、合成皮膚が治癒するだけでなく、別々の部分から自己集合できるようにした。 「磁場誘導ナビゲーションと誘導加熱と組み合わせることで、オンデマンドで形状を変え、その変形を感知できる再構成可能なソフトロボットを構築できるかもしれません。」とZhao氏は述べています。

「私たちの長期的なビジョンは、極度の損傷から回復できるデバイスを作成することです。たとえば、ばらばらに引き裂かれても、自律的に再構築できるデバイスを想像してください」と、層別化されたいくつかの断片の短いビデオを見せながらクーパー氏は言う。水に浸した合成皮膚。 磁気的に引き寄せられると、ピースは互いに近づいていき、最終的には再び組み立てられます。 治癒すると導電性が戻り、材料の上に取り付けられた LED が光ってそれを証明します。

研究者らは次のステップとして、層を可能な限り薄くし、さまざまな機能を持つ層を作成することに取り組む予定だ。 現在のプロトタイプは圧力を感知するように設計されており、温度や歪みの変化を感知するように設計された追加の層を含めることができます。

将来のビジョンに関して、研究チームは潜在的に、バラバラに飲み込まれ、その後体内で自己集合して非侵襲的な医療処置を実行できるロボットを想像している。 他の用途には、ロボットにぴったりフィットして触覚を提供する、多感覚の自己修復電子スキンが含まれます。

詳しくは： Christopher B. Cooper et al、非混和性ダイナミックポリマーを使用した多層ソフトエレクトロニクスにおける自律的整列と治癒、Science (2023)。 DOI: 10.1126/science.adh0619。 www.science.org/doi/10.1126/science.adh0619