切断者の思考や筋肉の動きで制御できる義肢は既に存在します。しかし、もし義肢が周囲の環境を感知し、その情報を切断者の神経系に送り返すことができたらどうでしょうか？
より本物の身体の一部のように機能する義肢を開発するため、科学者たちは触覚情報を感知する人工皮膚の開発に取り組んでいます。これまでに、これらの皮膚は圧力を感知する能力が非常に高くなっており、スタンフォード大学のエンジニアが設計した皮膚は、人間の皮膚の1,000倍の感度を誇ります。また、自己治癒機能も備えています。
しかし、韓国の研究者たちが開発した新しい皮膚は、これまでで最もスマートな人工皮膚かもしれない。本物の皮膚のように伸縮性があり、圧力、温度、湿度を感知できる。さらにヒーターも内蔵されているため、まるで生体組織のような感触だ。研究者たちはこの人工皮膚を義手でテストし、将来的には患者の神経とインターフェースし、切断された人が人工皮膚の感触をすべて感じられるようになることを期待している。
「人工装具や人工皮膚が自然に感じられるためには、その温度プロファイルを人体に合わせて制御する必要があります。」
「義手と積層電子皮膚は、握手、キーボードのタップ、ボールの掴み、熱いまたは冷たい飲み物の入ったカップを持つ、乾いた表面や濡れた表面に触れる、人間同士の接触など、多くの複雑な操作に対応できる可能性がある」と、研究者らは本日ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された論文に記している。
この新しい皮膚の大部分は、ポリジメチルシロキサン（PDMS）と呼ばれる柔軟で透明なシリコン素材でできています。PDMSにはシリコンナノリボンが埋め込まれており、押しつぶされたり伸ばされたりすると発電し、触覚フィードバックを提供します。また、物体の温度を感知することもできます。
湿度センサーはコンデンサで構成されています。コンデンサを囲むポリマーが水分を吸収すると、水分によってポリマーの電荷蓄積能力が変化します。コンデンサはこの電荷蓄積能力の変化を計測し、環境の湿度レベルを判定します。
研究者たちは、やや型破りな方法で湿度センサーをテストしました。まず、人工皮膚の湿度測定値を市販の湿度センサーの測定値と比較したところ、結果はほぼ一致しました。これは通常の手順です。しかし、科学的にさらに厳密にするために、研究者たちは義手で様々なおむつを触らせました。すると、濡れたおむつと乾いたおむつを区別できることが分かりました。成功です！
次に加熱要素です。
「義肢や人工皮膚が自然な感触を得るには、その温度プロファイルを人体に合わせて制御する必要がある」と著者らは記している。熱アクチュエーターは人工皮膚の発する熱量を制御する。皮膚が華氏98度（摂氏約32度）を一定に保っているかどうかを測定する非常に簡単な方法はあるものの、研究者らはプラスチック製の赤ちゃん人形（できれば濡れたおむつに触れた後に洗ってあることを願う）に手を置き、人形に伝わる熱量を測定した。その結果は、通常の人体温度の範囲内だった。
スタンフォード大学の人工皮膚エンジニア、ジェナン・バオ氏は、今回の論文には関わっていないが、この研究を非常に刺激的だと評価した。著者らはこれまでにも温度、圧力、湿度センサーを搭載した人工皮膚を開発してきたが、それを伸縮性のある基板と統合したのは画期的だと彼女は述べた。
研究者たちは、シリコンナノリボンパターンの形状を調整することで、皮膚の伸縮性を調整できる。指先など、皮膚の伸縮を必要としない部位では、ナノリボンを密集させた直線状のパターンで配置し、感度を最大化する。手首など、より柔軟性が必要な部位では、ナノリボンをよりループ状のパターンにすることで、最大16%の伸縮性を確保している。
「これは伸縮性エレクトロニクスの応用を示す重要な実証です」とバオ氏は語った。
研究チームは、人工皮膚から切断患者の脳へ感覚情報を送る最良の方法をまだ模索している。ラットの皮膚から脳へ圧力情報を転送することには成功したが、論文ではこの方法が人間への使用には安全ではない可能性があると警告している。
少なくとも、この発明はすべての親の夢である「おむつ交換ロボット」を実現するかもしれない。
