ヒューマン・マシン・インターフェースのための多重化された無線センシングを備えた、バイオ燃料を動力とするソフト電子皮膚

Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces.

• You Yu
• Joanna Nassar
• Changhao Xu
• Jihong Min
• Yiran Yang
• Adam Dai
• Rohan Doshi
• Adrian Huang
• Yu Song
• Rachel Gehlhar
• Aaron D Ames
• Wei Gao

抄録

既存の電子皮膚（e-スキン）センシングプラットフォームは、電池からの電力や近距離通信を使用して物理的なパラメータを監視するために装備されています。次世代のロボットや医療機器に応用するためには、ワイヤレスで動作し、セルフパワーであることが求められます。しかし、最近では人体からエネルギーを取り出す試みが行われているが、Bluetooth通信でバイオセンシングを行うことができるセルフパワー型のe-スキンは、連続的なエネルギー源がないことや電力効率に限界があることから、限られたものとなっている。ここでは、in situでの多重代謝センシングのための柔軟で完全な発汗力を持つ統合型電子皮膚（PPES）を報告する。電池不要のこの電子皮膚には、マルチモーダルセンサーと高効率の乳酸バイオ燃料セルが搭載されており、ゼロから3次元ナノ材料を独自に統合して高出力と長期安定性を実現しています。PPESは、未処理の人間の体液（人間の汗）中のバイオ燃料細胞に対して3.5ミリワットセンチメーターという記録的な出力密度を実現し、60時間の連続運転中に非常に安定した性能を発揮しました。PPESは、長時間の運動中に主要な代謝分析物（尿素、NH、グルコース、pHなど）と皮膚温度を選択的にモニターし、Bluetoothを使用してワイヤレスでユーザーインターフェースにデータを送信しました。また、PPESは筋肉の収縮をモニターし、人工関節歩行のためのヒューマン・マシン・インターフェースとして機能することができました。

Existing electronic skin (e-skin) sensing platforms are equipped to monitor physical parameters using power from batteries or near-field communication. For e-skins to be applied in the next generation of robotics and medical devices, they must operate wirelessly and be self-powered. However, despite recent efforts to harvest energy from the human body, self-powered e-skin with the ability to perform biosensing with Bluetooth communication are limited because of lack of a continuous energy source and limited power efficiency. Here, we report a flexible and fully perspiration-powered integrated electronic skin (PPES) for multiplexed metabolic sensing in situ. The battery-free e-skin contains multimodal sensors and highly efficient lactate biofuel cells that use a unique integration of zero- to three-dimensional nanomaterials to achieve high power intensity and long-term stability. The PPES delivered a record-breaking power density of 3.5 milliwatt-centimeter for biofuel cells in untreated human body fluids (human sweat) and displayed a very stable performance during a 60-hour continuous operation. It selectively monitored key metabolic analytes (e.g., urea, NH, glucose, and pH) and the skin temperature during prolonged physical activities and wirelessly transmitted the data to the user interface using Bluetooth. The PPES was also able to monitor muscle contraction and work as a human-machine interface for human- prosthesis walking.