柔らかくて薄い導電性生体電極、CNTを用いて開発

https://www.techeyesonline.com/news/detail/eetimesjapan-202406250930-1/
 

  違和感なく生体筋の活動状況を測定

東京工業大学は、伸縮性と透湿性を兼ね備えた、表面筋電位測定用の「導電性生体電極」を開発した。エラストマー超薄膜上に単層カーボンナノチューブ（CNT）を塗布して作成したもの。装着者は違和感なく、生体筋の活動状態をリアルタイムに長時間測定することが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]PC用表示 関連情報

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エラストマー超薄膜上に単層カーボンナノチューブを塗布

　東京工業大学生命理工学院生命理工学系の堀井辰衛特任助教、山下佳威学士課程4年生（研究当時）、Marimo Ito大学院生（研究当時）、岡田慧大学院生（研究当時）および、藤枝俊宣准教授らの研究チームは2024年6月、伸縮性と透湿性を兼ね備えた、表面筋電位測定用の「導電性生体電極」を開発したと発表した。装着者は違和感なく、生体筋の活動状態をリアルタイムに長時間測定することが可能となる。

　研究チームは今回、グラビアコート法を用い、厚みが約360nmのエラストマー超薄膜を作製した。この薄膜上に単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を含む繊維状の水性インクを塗布し、層の平均厚みが約70nmという繊維ネットワークを形成させて、導電性伸縮超薄膜を作製した。

左は皮膚上に貼付した導電性伸縮超薄膜の外観写真、中央はSWCNT繊維状ネットワークの顕微鏡観察画像、右は透湿性の概念図［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学

　作製した導電性伸縮超薄膜の電気特性などを調べた。シート抵抗値は導電性高分子「PEDOT：PSS」（電気を通すプラスチック）を用いた従来の導電性超薄膜と同程度（0.6kΩsq^-1）であった。また、弾性率は86MPa、切断伸度は386％となり、PEDOT：PSSを塗布した薄膜に比べて柔らかく、伸びやすいことが分かった。

左は導電性伸縮超薄膜のシート抵抗値、右は作製した超薄膜の引張試験結果（応力－ひずみ曲線）［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学

　透湿性についても調べた。膜厚210nmのエラストマー超薄膜を桐山濾紙に貼り付けて測定したところ、水蒸気透過率は6198gm^-2（2h）^-1であった。この値は濾紙自体の透過率に匹敵するという。SWCNTを塗布した導電性伸縮超薄膜（濾紙に貼付した状態）は、5183gm^-2（2h）^-1となった。計算により導電性伸縮超薄膜自体の水蒸気透過率を求めたところ28316gm^-2（2h）^-1であった。この値は、人間の表皮の水蒸気透過率よりも2桁程度大きい値だという。

超薄膜における水蒸気透過率の膜厚依存性［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学

　開発した導電性伸縮超薄膜は、接着剤を使わずに右腕前腕へ貼り付け、表面筋電位測定ユニットに接続した。実験では、右手でトレーニング用のグリッパーをしっかり握り、「握る」「解放する」をそれぞれ5秒ずつ、5回繰り返した時の表面筋電位を測定した。この結果、市販ゲル電極に匹敵する信号／ノイズ比となり、生体電極として利用できることが分かった。

 

左は表面筋電位測定時の写真、右はそれぞれ「市販ゲル電極」「開発した導電性伸縮超薄膜」「PEDOT：PSS塗布導電性超薄膜」を用いた時の表面筋電位とSNR［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学