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elettronica flessibile npj

npj フレキシブルエレクトロニクス第 6 巻、記事番号: 54 (2022) この記事を引用

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10 オルトメトリック

メトリクスの詳細

新しい触覚センシングデバイスは、人間の機械受容の生物学的機能を模倣しています。光学的透明性の機能を導入することにより、触覚知性と視覚知性の能力を単一のシステムに統合することができます。しかし、感度向上のために広く用いられている界面粗さを上げるなどの方法では、さらに透明度が低下する可能性があるため、単一構造で超高レベルの光透過性とデバイス感度を実現することは困難です。調整可能な表面トポロジーを備えた透明なイオン材料を利用し、屈折率整合戦略を導入することにより、イオントロニクスセンシング機構に基づいた透明イオントロニクスセンシング（TIS）デバイスを提案し、同時に組み合わせた高いデバイス感度（83.9 kPa− 1) 非常に高い光透過性 (96.9%) を持ち、文献で報告されている最高値です。 TIS デバイスは、センシングおよび光学特性における総合的な性能の恩恵を受け、産業および医療用途のヒューマンマシンインターフェイスとして大きな可能性を秘めています。

人間にとって重要な知覚および情報収集機能を表す触覚は、近年研究開発の活発なテーマとなっています1,2。所望の接触情報を取得するために、触覚の生物学的機能をシミュレートするこのアナログからデジタルへの変換プロセスを実現する柔軟な触感センシング技術が頻繁に模索されてきました3。重要な性能特性として、デバイスの感度は触覚センサーの設計で重要な考慮事項となり、分解可能な最小の圧力変動下での感知能力を評価します3。デバイスの感度が高い触覚センサーにより、タッチやジェスチャーの認識、生理学的信号の検出などの特定のアプリケーションが可能になりました4。センサーの融合とマルチモダリティ検出における最近の技術トレンドは、既存のスキームに特別な機能を有効にするさらなるインセンティブを提供します。この目的を達成するために、光学特性を触覚センサーに組み込むことで、触覚と視覚の両方のアプリケーション 5 (医療用画像、健康モニタリング、電子スキン 6 など) でより多くの機能と機会がもたらされる可能性があります。具体的には、対物レンズに透明な力フィードバックを備えた触覚対応内視鏡は、内部組織や器官との潜在的な物理的接触を検出して報告することができ、その結果、臨床現場で望ましい安全機能またはナビゲーション誘導信号として機能することができます。カテーテル治療の診断および外科手術7．さらに、透明性が高く高感度な触覚センサーをウェアラブルエレクトロニクスに導入することで、光学的特性を維持しながら、動脈圧波形、心拍数、呼吸数、血圧などの複数の生理学的信号を連続的に検出できます。知覚不能性8. さらに、透明なヒューマンマシンインターフェイスは、従来のタッチスクリーンに 3D 力感知機能を導入することにより、特別なユーザーエクスペリエンスを提供し、拡張現実やゲームアプリケーションでの繊細なオブジェクト認識と触覚フィードバックを可能にします9。しかし、現在の透明なフレキシブル触覚センサーでは、単一デバイスで超高レベルの光透過性とデバイス感度の両方を達成することは依然として困難です。

技術的に言えば、光透過率は、媒体内の光の吸収と散乱の全体的なレベル、および界面での光の反射を反映します10、11。触覚センシングデバイスの光透過率を向上させるために、現在の研究は主に建材の固有の光透過性を変更することに焦点を当てています。吸収と散乱による光損失は、報告されている 99.94% という最高の光透過率を持つ材料自体を慎重に選択して変更することで最小限に抑えることができますが 12、デバイスの全体的な透過率を高いレベル (例: 95%)、センサー構造内の複数の材料境界面で発生する光の反射によるものです。特に、粗い界面トポロジーに遭遇すると、界面光損失がかなり深刻になります。したがって、デバイスの透明性をさらに向上するには、このような界面光反射によって引き起こされる光損失に対処するための代替アプローチが必要です。触覚センシングデバイスが望ましい高感度を達成するには、検出用に大きな表面積を持つインターフェースを設計することが重要です13。したがって、機能層または電極の「粗い」構成を作成するために、ピラミッド型、マイクロニードル、ナノ繊維、生物からインスピレーションを得た構造など、複数の興味深い戦略がさらに研究されてきました14。このような界面トポロジーは、同じ外部負荷の下でより顕著なレベルの変形またはより大きな表面接触面積を生成するため、デバイスの感度の向上につながる可能性があります15。残念ながら、これらの変更は、主に光透過率によって評価されるデバイス 16 の全体的な透明性に悪影響を及ぼした可能性があります 5。したがって、触覚センサー、特に容量ベースのセンサーの光学的透明度は、デバイスの感度に関連して逆の傾向を示すことがよくあります17。

最近導入された柔軟なイオントロニクスセンシングメカニズム (FITS) は、触覚センサーの透明性向上という懸案を解決するアプローチを提示するとともに、イオン - 電子材料の自然界面の利点を生かして超高感度の圧力検出を提供します。イオントロニクスセンシングは、その開始以来、すべての建築材料、特にイオン機能材料が本質的に透明であるため、光透過性という特性上の利点において大きな可能性を示してきました。一方で、光学的に滑らかなセンシングインターフェースを持つことができます18。 Pan氏らは、光学的に透明な構造を備えた初のフレキシブルイオントロニック圧力センサーを構築した。このセンサーには、空気を充填した間隔層によって上部電極から分離された下部電極を覆う平面透明イオンコーティングが含まれている。ただし、元のイオントロニクスセンサーは、空気と固体の界面での光損失により、77% の光透過率しか示しません 19。最近、Guo らは、光透過率 94.8% の高透明イオンセンシング (TIS) 材料を報告しました。この材料では、多孔質ポリフッ化ビニリデン (PVDF) 膜に、屈折率 (RI) が一致したイオン液体が充填されています。。ただし、この構造ではイオン物質と感知電極間の光損失により、デバイス全体の光透過率は 90.4% に制限されます。予想されることに、多孔質 PVDF 膜の光透過性の向上により界面の粗さが減少し、その結果、既存のイオントロニクスセンサーと比較して約 1.2 kPa-1 という望ましくない低感度が生じます。比較として、最新のタッチパネルデバイスはすでに画面上で95%を超える光透過率を達成しています。これは、現在のディスプレイアプリケーションでは、重要な表示のためにデバイスの光透過率のレベルをできるだけ高くすることが求められているためです。画面の明るさと鮮明さ20.

この研究では、高いデバイス感度と良好な光透過性を同時に可能にする、TIS デバイスの特定のアーキテクチャを提案しました。 2層センシングアーキテクチャ（図1aに示す）を実装することにより、TISデバイスには、微細な半球状の透明イオン性エラストマーのアレイでコーティングされた1枚の透明な銀ナノワイヤ（AgNw）導電性フィルムが含まれます（図1b）。イオノード; そして対極として未処理の AgNw 表面を使用します。イオノードと電極の間には、親水性に大きな違いがあるためゲルと安定に共存できる非イオン性RIマッチング液体が充填され、センシング構造間の反射性の空気と固体の界面が除去されています。注目すべきことに、TIS デバイスでは感度を変えることなく、優れたレベルの光透過性を独立して実現できます。イオンセンシングゲル、透明電極、RIマッチング液などの建材はすべて本質的に透明性が高いため、内部での光吸収や散乱が極めて低く、材料レベルで高い光透過率を実現します。さらに重要なことは、センシング層に導入されたRIマッチング液体は界面での反射を大幅に低減し、その結果、多層デバイスアーキテクチャ下でのセンサーの光透過率がさらに向上することです。その結果、触覚センサー全体の 96.9% という全体的な光透過率が達成され、これは我々の知る限り文献で報告されている最高値です (図 1c)。一方、微小半球アレイの弾性変形に基づいて、TIS デバイスの機械的応答を定量的に説明するための数学的理論方程式が導出されています。したがって、微小半球微細構造の最適設計とイオントロニクス機構の本質的に高い感度の両方により、デバイスの感度は 83.9 kPa-1 に達し、対応する容量性デバイスの感度よりも 3 桁高くなります 1,5。、17、21。センシングと光学特性における総合的な性能の恩恵を受けて、当社は視覚と触覚の両方の診断機能を備えた TIS 統合内視鏡を初めて実証しました。この内視鏡では、透明な触覚センシングにより、ルーチンを実行しながら、光学素子の前の組織の硬さを定量的に評価できます。内視鏡画像処理。さらに、目に見えない触覚受信をウェアラブル形式で実装し、そこから重要な血行動態パラメータをリアルタイムかつ知覚できない方法で収集および分析できます。さらに、新たなヒューマン・マシン・インターフェース向けに、高い空間解像度を備えた光学ディスプレイ上で透明な触覚イメージングを実現しました。結果として、TIS デバイスは、特に高い光透過性とデバイス感度の両方が要求される産業および医療用途向けの急速に進化するヒューマンマシンインターフェイスとして大きな可能性を秘めています。

a TIS デバイスの構造図、b 微小半球アレイを内蔵したイオンゲルの SEM 画像（96.9% という極めて高い光透過率を示す TIS デバイスで覆われた花など）、d デバイスの機械的応答メカニズムTIS デバイス、RI 接合液体が満たされていない場合と満たされている TIS デバイスの光路。

超高透明触覚センサーを実現するために、TIS デバイスの透明性と感度に関連する重要なパラメーターを決定するための光学分析とセンシング分析が確立されました。原則として、デバイスの透明度は、入射光と透過光の強度の比として定義される光透過率によって定量的に評価できます10。この光透過率は、特に界面での反射、媒体内の吸収と散乱によって影響を受けます11。透明性に関する現在の最適化は、主に低吸収と低散乱という固有の特性を持つ媒体を選択することに焦点を当てています。材料の透明性のための組成と構造の研究を通じて、AgNw、イオン性ゲル、グラフェン、PDMS などの最先端の媒体は、透明なセンシング構造内での吸着と散乱が極めて低いことが実証されました。特に、媒体の吸着と散乱による透過率の損失は 0.1% レベルにすぎず 22、全体としてはほとんど無視できる程度になります。したがって、この研究では、構造材料の選択をこれらの確立されたカテゴリに限定します。

建築材料からの影響に加えて、異なる層間の界面も反射による透過率損失に大きく寄与します。重要なことは、変形可能なセンシング層とセンシング構造の空隙との間に存在する界面は、たとえ平面であっても重大な光反射を引き起こす可能性があり、この影響は界面の不規則性によってさらに強化されるということです5。実際、界面での光の反射によって引き起こされる透過率損失は、デバイスの透明性を決定する上で大きな役割を果たしていますが、既存の透明センサーでは構造上の制約により研究が限られていました 23。具体的には、界面での反射による光損失は、反射光と入射光の強度比として定義される反射率 R を使用して説明でき、次のように定量的に表すことができます。

ここで、n1 と n2 は、界面に沿った媒体の RI を表します10。この方程式は入射角がゼロの場合に有効であり、非垂直入射の場合にはより複雑な形式に発展させることができます (サポート情報に示されています)。式によると、図１に示すように、反射率は界面に沿った材料の屈折率に大きく関係しており、隣接する材料の屈折率の差が小さいほど、界面での反射率が低くなります。さらに、材料の屈折率が互いに一致する場合、反射率は最小値 (ゼロに近く) に近づくことができます。これは、光の入射角が 0° でない場合にも当てはまります。このような状況では、界面が粗い場合でも、ほとんどの光は、いかなる入射角でも明らかな透過損失を経験することなく界面を通過できます。これは、感圧界面の表面形態を調整すると表面トポロジーが変化することを意味します。デバイスの光透過性に影響を与えることはなくなりました。提案する TIS 建築では、透明性が高く、RI に適合したすべての建築材料を使用しました。注目すべきことに、電極とイオノード間のエアギャップを埋めるためにRIマッチング液体を導入したことで、イオノード/空気界面および空気/電極界面での光反射が大幅に除去されました。したがって、デバイスレベルで既存の同等品よりも高い光透過性を実現できます。

TIS デバイスの感度を最適化するために、イオントロニクス機構の基本原理に基づいて機械モデルが構築され、TIS デバイスの材料特性と構造パラメータが決定されました。以下の理由により、機械的センシングトポロジーを確立するために半球状の微細構造が選択されたことは注目に値します。まず第一に、半球状のエラストマー構造の形状変形が十分に研究されており、これは古典的な機械的モデルで理論的に定義できます24。第二に、半球の幾何学的変数は、感度や解像度などの望ましいセンシング特性を満たすように簡単に調整できます13。さらに、半球状の微細構造は、その丸みを帯びた形状が過剰な応力集中と誘発された塑性変形の両方を緩和するため、繰り返しの機械的変形下でのピラミッド微細構造など、鋭い角を含む代替微細パターンよりも優れた安定性と信頼性を示します13。外部圧力 P が電極層にかかると、イオノードのイオン微細構造に弾性圧縮変形が生じます。その結果、イオントロニクスセンシング理論で予想されるように、電極とイオノード間の接触面積がそれに応じて拡大し、対応するEDL静電容量が増加します19、25（図1d）。特に、小さい変形限界内のイオントロニクスセンサーの感度 S は、古典的なヘルツ接触モデル 24、26 から導かれた次の方程式を使用して説明できます。

ここで、C0 は負荷のない初期のイオントロニック容量性読み取り値を表し、UAC はイオン性ゲルと電極層の間の単位面積容量を表します。 ρ は半球の曲率半径、d は半球アレイの密度、A は感知領域を示します。 Eとkはそれぞれ弾性ゲル材料のヤング率とパッション比関連定数を示します。式の詳細な導出図２はサポート情報に示されている。見てわかるように、デバイスの感度は、界面 UAC、感知領域、曲率半径、および半球アレイの密度と正の相関があるのに対し、ゲルのヤング率および初期静電容量は、界面 UAC と反比例の関係を示します。感度。簡単に言えば、感度の最適化については、機能性材料と界面特性 (E および UAC) および半球アレイの幾何学的パラメーター (ρ および d) の設計に依存して感度を向上させることができますが、透明度の向上は両方に焦点を当てています。建材の固有透過率と界面での光反射の最小化。

動作原理によれば、機能性イオンゲル材料については、固有の透明性、弾性率、イオン濃度、微細加工性など、いくつかの考慮事項を考慮する必要があります。この目的を達成するために、当社は、活性イオン含有量を含む光架橋性ポリマーゲルアプローチを採用してセンシングユニットを構築しました。これは、高い光学的透明性、高弾性、調整可能なイオン含有量、およびイオンの直接光硬化性の複合要件を満たすためです。ゲル素材３．図に示すように、イオンゲルは、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（PEGDA）とヒドロキシエチルメタクリレート（HEMA）から調製されたポリマーマトリックス中に均一に分散された親水性イオン液体1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフレート（EMIMOTF）で構成されています。 2a. EMIMOTF は、8.858 mS/cm27 の高い伝導率とアクリレートモノマーとの高い相溶性を備えた室温イオン液体で、イオントロニクスセンシングに豊富な可動カチオンとアニオンを提供します。さらに重要なことは、EMIMOTF は水と比較して 3.9 V という非常に広い電気化学ウィンドウを提供し 28、これにより電場下での AgNw の電気化学反応を防ぐことができ、TIS デバイスの長期安定性と再現性が向上します。 PEGDAとHEMAは、アクリレート基のUV重合を通じて3D分子ネットワークを形成し、液体EMIMOFTを高い弾性と変形能を備えたイオンゲルに変えることができます（図2b）。 HEMA の主な選択基準は、ポリマーマトリックスと EMIMOTF29 の間の相溶性を向上させることができる極性の高いヒドロキシル基です。一方、イオン性ゲルの弾性を制御するために、親水性架橋剤としてPEGDAが使用されます。 2 つのアクリレート基を含む PEGDA の濃度が高いほど、イオンゲルの架橋密度が高くなります。イオンゲルの反応方程式を補足図3に示します。このセクションでは、材料レベルでの関連する電気的、機械的、光学的特性、特にセンシング応答を最適化するためのイオンゲル組成への影響を調査および議論します。 TIS デバイスの高い光透過性を確保するために、すべての建築材料の固有光透過率と同じです。

a イオンゲルの分子構造、b 高い弾性を示すイオンゲルの写真、c 異なる組成のイオンゲルの UAC、d 異なる架橋密度のイオンゲルのヤング率、e のヤング率異なるイオン液体濃度のイオンゲル。 c〜eに挿入された比率は、HEMA、PEGDA、[EMIm]OTfの重量比率です。 f イオンゲル、AgNw 導電性フィルム、および RI マッチング液体を含む、TIS デバイスのすべての構築材料の可視スペクトル。

式に示されているように、図 2 に示すように、TIS デバイスの感度は材料界面の UAC と直線的に相関します。これはかなり複雑で、イオン種や濃度、電極材料、温度や湿度などの環境パラメータなどの材料特性の影響を受ける可能性があります。駆動周波数や電位などの測定技術も含まれます3、30、31。この研究では、界面 UAC を改善する主なアプローチは、制御された環境と確立された測定条件の下で、選択された複合ゲル材料のイオン濃度を調整することです。図 2c は、UAC32 の測定に広く使用されている標準である 1 V の電圧で、20 Hz から 200 kHz までのさまざまな組成のイオンゲルを使用した界面 UAC 測定をプロットしています。イオン性ゲルの界面 UAC は、限られたイオン緩和時間内で駆動周波数の上昇に伴って徐々に減少すると予想されますが、駆動周波数が高いほど、静電容量検出のサンプリングレートが高くなり、これはゲルの応答周波数にとって重要です。デバイス25、30。 UAC とサンプリングレートのバランスを達成するために、電気励起と測定を 1 kHz と 1 V に保ち、直接比較します。さらに重要なことは、ゲルマトリックス中のイオン濃度を変数として考慮すると、イオン含有量の濃度が高いほど界面 UAC が高くなります。特に、HEMA: PEGDA: EMIMOTF の材料重量比が 9:1:5、9:1:10 ～ 9:1:20 (対応するイオン液体濃度が 33.3%%、50% ～ 66.7%) の界面 UAC %) は、それぞれ 112.3 nF、766.9 nF、985.4 nF で測定されます。ゲルマトリックスのイオン含有量がさらに増加すると、硬化後でもイオン液体の浸出が発生し、センシング材料の安定性と信頼性の問題が発生します。もう 1 つの発見は、イオン濃度が比較的安定している場合、架橋率が界面 UAC に及ぼす影響はごくわずかであるということです。たとえば、HEMA と PEGDA の重量比が 0:1 から 49:1 (対応する架橋比 100 ～ 2%) に大幅に変化しても、界面 UAC は約 25% しか増加しません。

TIS デバイスのセンシング性能に関連するもう 1 つの重要な材料特性は、理論分析によるヤング率です。一般に、イオン性ゲルの弾性率は、ゲル内の架橋密度とイオン液体濃度を調整することによって制御できます。 HEMA、PEGDA、EMIMOTFの比率を0:1:1、4:1:5、9:1:10、19:1:20から49:1:50まで調整することで、異なる架橋密度のポリマーネットワークを形成します。図2dに要約されているように、イオン性ゲルの関連するヤング率は、それぞれ100、20、10、5、および2％であり、ポリマー鎖が架橋密度が増加すると動きが制限されます。ただし、架橋密度が低いため、重量比 19:1:20 および 49:1:50 のイオンゲルは圧力下で塑性変形を示し、触覚センサーの回復性と再現性が低下します。さらに、ポリマーモノマーとイオン液体の重量比を変えることによって、イオンゲルのヤング率を制御することもできる。図2e33に示すように、イオン液体の濃度が高くなると、「無制限の体積」が大きくなり、ポリマーセグメント間の相互作用が少なくなる、より柔らかいイオンゲルマトリックスが得られます。この研究では、HEMA、PEGDA、EMIMOTF の重量比を 9:1:20 に設定すると、0.79 MPa という低い弾性率が達成できることがわかりました。残念ながら、この比率では、外部圧力下でゲルマトリックスからイオン液体が浸出してしまい、デバイスの安定性に影響を及ぼします。したがって、高い安定性とともに比較的高い弾性（つまり、低いヤング率）を考慮して、硬化性モノマーとイオン液体の重量比 1:1 をさらなる調査の主要パラメータとして選択します。

前述したように、すべての建築材料の高い固有光透過率は、TIS デバイスの高い光透過性の前提条件です。図 2f は、HEMA、PEGDA、EMIMOTF の比率が 9:1:10 のイオン性ゲル材料 (厚さ 50 μm)、AgNw 導電性フィルム、および RI マッチング液体の可視スペクトルを示しています。作製した平滑イオンゲルは可視・近赤外全域で高い光透過率を示し、透明性比較の標準波長である550nmでは空気と比較して92.1%の光透過率が得られていることがわかります。補足式で予測されるように、イオンゲルの固有光透過率は99.5%である必要があることに注目する価値があります。その分子グループと高い構造均一性により可視光吸収が低いため、材料の吸収と散乱は 0.5% の透過率損失に寄与するだけです (e-(a+s)x = 99.5%)。光透過率の主な損失は、空気に対する両方の界面での光の反射によって生じます。さらに、AgNw 導電性フィルムは、非導電性表面に反射防止コーティングが施されているため、95.3% という非常に高い光透過率も備えており、固体と空気の界面での光の反射を大幅に低減できます 34。さらに、RI マッチング液は主にシリコーンオイルと流動パラフィンで構成されており、どちらも可視スペクトルでの吸収が低い35。したがって、光学長 9.55 mm のキュベット内の RI マッチング液の光透過率は、脱イオン水で満たされたキュベットと比較して 99.9% と測定されます。厚さ約 25 μm の RI 整合液体層を含む TIS デバイスの場合、液体の光吸収と散乱は、それに応じて透過率の損失が 0.002% という無視できる程度にすぎません。その結果、TIS デバイスに使用されるすべての建築材料は、文献と実験による検証の両方により、高い透明性を備えていることが証明されました。

静電容量対圧力 (C-P) の性能は、感度、直線性、検出範囲、耐干渉性など、センサーのいくつかの重要な特性を実証するため、TIS デバイスの鍵となります6、8、30、36、37。、38、39。式によると、図２に示されるように、単位面積閉じ込めを有するＴＩＳデバイスの感度は、半球の曲率半径およびアレイの密度に関係する。このセクションでは、センサーの機械的応答を制御および最適化することを目的として、TIS デバイスの感度に対するこれらのパラメーターの影響について説明します。

半球アレイの幾何学的パラメータは、マイクロ/ナノ製造を通じて簡単に制御できます。式で示されているように、図２に示すように、アレイ密度が高く、半球が大きいほど、ＴＩＳデバイスの感度が高くなる。図 3a は、TIS デバイスの機械的応答曲線に対するアレイ密度の影響に関する実験的調査をプロットしています。 27,778、17,778、10,000、4,444 cm-2 の異なるアレイ密度は、PDMS モールドを使用したイオンゲルの UV 硬化によって達成され、50 μm/10 μm、50 μm/25 μm、50 μm/25 μm、50 μm/10 μm の半球直径/間隔に対応します。 μm/50μm、50μm/100μm。理論的予測とよく一致し、アレイ密度 27,778 cm-2 (50 μm/10 μm) の TIS デバイスは、非常に低い初期圧力を考慮すると、0 ～ 20 kPa の圧力範囲で 83.9 kPa-1 の最高感度を出力します。 17.4 pFの静電容量（補足図4に示す）。この値は、20 ～ 100 kPa で 20.4 kPa-1 に減少し、圧力が増加すると感度が低下するという理論的予測とよく一致します。図 3b は、半球のサイズとセンサーの圧力応答の関係を示しています。他のすべての変数 (特にアレイ密度) を変更しないことにより、半球の直径が大きくなり、TIS デバイスのデバイス感度が高くなります。たとえば、半球直径 50 μm の TIS センサーの感度は 83.9 kPa-1 であり、半球直径 20 および 10 μm の感度の 2.2 倍および 3.93 倍です。実際には、50μmを超えるサイズの半球マイクロアレイはデバイスの感度をさらに向上させるはずですが、フォトレジストのリフローによるモールドの準備中にこのような大きな半球を準備して一貫性を維持することは困難です40、41。特定の領域で達成できる半球の最大密度は、ユニットのフィーチャーサイズによって直接影響を受けるため、TIS デバイスの C-P 曲線と、特にさまざまなフィーチャーサイズでの半球の最大密度とを比較しました。、図3cに示すように、半球の直径/間隔はそれぞれ50μm / 10μm、20μm / 10μm、および10μm / 10μmです。 10 μm 未満の狭い間隔では、特に半球サイズが大きい場合、深さと幅の比率が大きすぎるため、パターンが歪む可能性があります。式によると、図 2 に示すように、半球の直径は密度よりも感度に大きな影響を及ぼします。測定結果はモデルとの良好な一致を示しており、期待どおり、フィーチャサイズが大きいほど最大アレイ密度でのデバイス感度が高くなります。具体的には、半球の直径/間隔が 50 μm/10 μm、20 μm/10 μm、および 10 μm/10 μm の TIS センサーから、感受性はそれぞれ 1:0.80:0.47 として計算できます。 TIS デバイスの再現性を検証するために、センサーに周期的な負荷が適用されました。図3dに要約された結果は、より低い圧力レベル（<40 kPa）ではほぼ同一のC-P応答曲線をトレースできるが、より高い圧力では3％の変動係数のわずかな逸脱が観察されたことを示しています。負荷装置のシステムエラーが原因である可能性があります。全体として、テスト結果は、現在の触覚センサーと比較して、特に低圧力範囲で TIS デバイスの C-P 応答の再現性が高いことを証明しました 42。さらに、異なる表面トポロジーを持つイオンゲルの顕微鏡画像を図3eに示します。機能性イオンゲルアレイの材料特性と幾何学的パラメータの組み合わせ性能を考慮すると、HEMA、PEGDA、EMIMOTF の重量比が 9:1:10、半球の直径/間隔が 50 μm のイオンゲルが最適であることがわかります。以下の TIS デバイスの構築に最適な選択として /10 μm。

a 異なる微小半球アレイ密度のイオンゲルを使用した TIS デバイスの応答 (C-P) 曲線、b 異なる半球直径のイオンゲルを使用した TIS デバイスの応答 (C-P) 曲線、c 応答さまざまな特徴サイズで半球の密度が最大であるイオンゲルを使用した TIS デバイスの (C-P) 曲線、d TIS デバイスの応答 (C-P) 曲線の再現性、e イオンゲルの顕微鏡画像さまざまな表面トポロジー、f 動的荷重試験における応答時間とリセット時間の特性評価、g 5000 サイクルの再現性試験、h TIS デバイスの圧力分解能と検出閾値。

TIS デバイスの応答時間、再現性、解像度を評価するために追加の評価が実行されました。応答速度のテストは、圧電アクチュエータを使用してセンサーに周期的な負荷変化（約1 kPa）を加えて実行されました。結果は図3fにまとめられています。各サイクルのローディング段階とアンロード段階の分析を通じて、最適化されたパラメーターを備えたイオンゲルを使用して準備されたセンサーの応答時間とリセット時間は、それぞれ 61 ミリ秒と 50 ミリ秒と測定されました。これらの値は、ミリ秒未満で応答できるいくつかの古典的なイオントロニクスセンサーの値と比べて顕著ではありませんでした。これは、RI マッチング液体の導入により、空気と比較して粘度が高いため応答時間が延長されたためです42。しかし、このような応答率は、動脈脈波の測定や対話型ヒューマンマシンインターフェイスなど、幅広い医療および産業用途をすでに満たしている可能性があります42。さらに、触覚センサーの再現性は、5 Hz で 1 kPa の繰り返し機械的負荷の下で調査されました。図 3g は、5000 デューティサイクル後の TIS デバイスで信号の大きさの変動が 10% 未満しか観察されていないことを示しており、デバイスの長期安定性と再現性が証明されています。最後に、イオントロニクスセンシング 3 のノイズ耐性を利用することで、TIS デバイスは 10 Pa という優れた圧力分解能/検出閾値を実証しました。図 3h は、設置および取り外しによって TIS デバイスからのリアルタイム連続記録が可能であることを示しています。表面上の超軽量物体 (つまり、0.4 g の綿球) は、10 Pa での圧力分解能を証明します。

式によると、図１に示すように、ＴＩＳデバイスの透明度は、主に、すべての材料の吸収と散乱、およびすべての界面での反射によって決定される。 TIS デバイスの重要な感知材料であるイオン性ゲルは、低レベル (0.5%) の光吸収と散乱が実験的に測定されています。図4aに示すように、滑らかなイオンゲルの光透過率は92.1%と測定され、下の画像の明るさと鮮明さへの影響はわずかしかありません。しかし、マイクロアレイ構成のイオノードは大きな光散乱を引き起こす可能性があり、たとえば直径/間隔が 50 μm/10 μm のマイクロ半球アレイを備えたイオノードでは、光透過率が 35.4% と低くなります。図4aの写真に示すように、表面の凹凸により、平面状と比較して高いレベルの反射率で光の入射角が大幅に増加するためです。微細構造界面では避けられないかなりの光反射が発生し、TIS デバイスの透明度の低下につながります。

a 表面微細構造がある場合とない場合のイオンゲルの可視スペクトル。 b 異なる成分を含むイオン性ゲルと RI マッチング液体の RI。 c 異なる屈折率を持つ媒質を充填した TIS デバイスの可視スペクトル。 d 充填された異なる媒体を使用した TIS デバイス下での画像の明るさと鮮明さの比較。

前述したように、RI マッチング液の導入は電極とイオノード間の界面感知ギャップを埋めることであり、これによりデバイス内のすべての界面、特にマイクロアレイ側の界面での光反射を大幅に低減できます。重要なのは、RI マッチング液体は 2 つの主な要件を満たす必要があります。1 つはイオン性ゲルの RI と一致する RI、もう 1 つはゲルとの化学的安定性です。これは、イオン成分の物質交換やゲルマトリックスの膨潤を引き起こさないことを意味します。。最初の要件は、高屈折率成分と低屈折率成分の両方を含む混合系を調製することによって満たされます。具体的には、2 つの成分間の混合比を使用して、RI マッチング液の RI を調整できます。もう1つの要件は、イオン性ゲルとRI整合液の安定した共存を達成するための「油-水」反感システムを確立することで解決できます。イオン性ゲルは水のような親水性であり、RI整合液は油である必要があります。疎水性が高い。このような疎水性-親水性材料の界面は、明らかなイオン液体の放出やゲルの膨潤がなく、優れた安定性を示します43。高い疎水性、高い透明性、低蒸発性、非毒性、特定のRI範囲を考慮して、RIにはフェニルシリコーンオイル（RI = 1.51）、ジメチコン（RI = 1.40）、および流動パラフィン（RI = 1.48）が選択されています。それぞれ高、中、低 RI 成分として液体をマッチングします。中屈折率成分を添加する理由は、フェニルシリコーンオイルがジメチコンと混合して透明な液体を形成できないためです。したがって、流動パラフィンをフェニルシリコーンオイルまたはジメチコンと混合して、調整可能な RI がそれぞれ 1.51 ～ 1.48 (フェニルシリコーンオイル/流動パラフィン) および 1.48 ～ 1.40 (流動パラフィン/ジメチコン) である 2 つの二成分系を形成するために使用されます。図4bに示すように、イオン性ゲルのさまざまな材料構成に2成分系を使用することで、1.40から1.58までの幅広いRIマッチングをカバーできます。

RI マッチング戦略のパフォーマンスを検証するために、RI マッチング液の導入前後で TIS デバイスの光透過性を比較しました。図4cに要約されているように、エアギャップを備えたTISデバイスは33.7％の光透過率しか示さず、検出面の下の画質の明るさと光学的鮮明さに大きな影響を与えます。純粋なジメチコン、純粋なフェニルシリコーンオイル、ジメチコンと流動パラフィンが 1:10 で完全に一致した組成物など、さまざまな組成の RI マッチング液体を使用してエアギャップを充填した後、結果は TIS の光透過率が顕著に向上することを示唆しています。デバイス。さらに、理想的な RI マッチング液体 (Δn = 0) をイオンゲル (RI = 1.4688) に使用すると、透過率測定で 96.9% という最適なパフォーマンスが得られます。これに対し、ジメチコン (RI = 1.4030、 Δn = 0.0658) とフェニルシリコーンオイル (RI = 1.5110、Δn = −0.0422) は、それぞれイオンゲルとの RI の差が大きく、理論的予測とよく一致しています。図4dは、さまざまなマッチング媒体を使用したサンプルの透明度の変化を示しています。その中で、理想的なRIマッチング液体を使用したサンプルは、TISデバイスを介した画像の最高の明るさと鮮明さをもたらします。その結果、RI マッチング液による空気界面の除去により、我々の知る限り文献上最高の 96.9% という光透過性が達成されました。

補足の図6と表1は、感度と光透過率の両方の観点から、TISデバイスと他の柔軟な透明圧力センサーの性能比較をまとめています。前述したように、従来の柔軟な透明センサーの感度と光透過率は通常、逆の関係を示します。言い換えれば、補足図62、5、6、12、16、17、19、21、32、44、45、46、47に示すように、文献を比較すると、感度が高いと常に光透過率が低くなります。。これは主に、粗い界面を導入することによって触覚センサーの感度の向上が達成されており、そのような界面で光の反射がさらに生じるという悪影響があるためです。あるいは、この研究では、RI マッチング液体をセンシング層に導入することで、内部材料界面で発生する光反射を排除することで、高透明性と高感度の間のジレンマに対処する手段が提供されます。要約すると、提案された TIS デバイスは、高弾性 (ヤング率 2.59 MPa)、超高感度インターフェースを備えた弾性イオンゲルマトリックス (HEMA、PEGDA、および EMIMTFSI の重量比が 9:1:10) を使用しています。 (766.9 nF の高い UAC を備えた)、圧力下での高い安定性も備えています。イオノードは、半球状のマイクロアレイ構成（直径/間隔が 50 μm/10 μm）に構造化されたイオンゲルの感知層で覆われています。さらに、イオン性ゲルマトリックスの屈折率が一致する液体がセンシング層に導入され、反射性の空気と固体の界面がすべて除去されます。その結果、TIS デバイスは全体的に優れた性能 (感度 83.9 kPa-1、光透過率 96.9%) を示し、これは既存の柔軟な透明触覚センサーの中で最高の値です。

TIS デバイスは、独特の高い透明性と高感度を備えているため、あらゆるスクリーンやディスプレイに貼り付けることができ、TIS タッチスクリーンと呼ばれる感圧式タッチスクリーンデバイスに変えることができます。従来の 3D タッチデバイスは、感圧式ではあるが光学的に透明ではないため、光学ディスプレイの背面にのみ取り付けることができ、デバイスの感度と空間解像度がさらに低下します。対照的に、TIS タッチスクリーンは非常に高い透明度を備えており、高いデバイス感度を維持しながら、ディスプレイ上の高輝度で鮮明なコンテンツを最小限の光損失 (4% 未満) で通過させることができ、繊細な物体の検出が可能になります。拡張現実のための触覚フィードバック。したがって、TIS デバイスは、既存の非タッチ感度ディスプレイの上に簡単に取り付けることができ、同時に感圧機器にアップグレードできます。図 5a は、32 × 32 のセンシングユニットを備えた TIS タッチスクリーンが、上部電極と下部イオノードを空間解像度 2 × 4 mm2 の直交走査アレイにパターン化することによって実装されていることを示しています。高解像度の圧力検知マトリックスは、押す、書く、または描画する際のインタラクティブな入力方法として特に興味深いものであり、X-Y 平面上の位置情報だけでなく、3 番目の軸上の圧力/力の値も提供します。図 5b は、TIS タッチスクリーンの回路システムを示しています。 TIS タッチスクリーンの行電極アレイと列電極アレイは、それぞれ異方性導電接着剤 (ACF) を介して 2 つの FPC コネクタに接着され、信号読み出し回路に接続されます。読み出し回路は、主に行選択ユニット (MUX)、データ収集ユニット (ADC)、デコードユニット (DAC)、および制御ユニット (FPGA) で構成されます。プログラムされた FPGA は、MUX によってマトリックス内の異なる行を選択するための制御信号を出力します。選択された行のすべてのユニットの信号は、FPGA による信号処理後、オペアンプを通じて増幅され、ADC によって取得されます。 DAC によって信号をデコードすると、補足図 7 に示すように、すべての行の収集された情報が Labview に送信され、記録および表示されます。図 5c は、さまざまな接触圧力での指タッチによってキャプチャされた「CAS」の圧力ヒートマップを示しています( TIS タッチスクリーン上で、はっきりとした文字を高精細に表示します。このようなヒートマップは、書き込み中の個々の感知素子の圧力変化をリアルタイムで追跡します。これは、HMI での暗号化アプリケーションの生体認証方法として、さまざまな人物の書き込みパターンや署名を区別するためにさらに使用できます36,48。さらに、TIS タッチスクリーンの接触圧力情報のヒートマップを使用して、触覚対応人工知能用のさまざまなオブジェクトを識別するオブジェクト認識アルゴリズムを開発できます9。特に、オブジェクトとディスプレイの間の物理的接触は圧力分布の静的パターンを形成します。ヒートマップには、さらなる AI 分析のための形状と重量の情報が含まれています。このような触覚 AI の能力を拡張することで、仮想チェスゲームを実際のチェスゲームに変換でき、チェスの駒が TIS タッチスクリーン上に立ってプレイできるようになります。このシナリオでは、チェスの駒はその底部でさまざまな形状の接触で構成されており、対応する圧力分布のヒートマップには各駒の特徴的な重要な特徴が含まれているため、タッチスクリーンは接触ヒートマップ情報によって駒と動きを読み取ることができます。図5dに示すように。その結果、TIS タッチスクリーンは、入力、識別、および拡張現実アプリケーションのための次世代ヒューマンマシンインターフェイスにおいて大きな可能性を示しています。

a 画面上に取り付けられた 32 × 32 センシングアレイを備えた TIS タッチスクリーン、および TIS アレイの構造概略図、b TIS タッチスクリーンシステムおよび信号読み出し回路の設計、c 「CAS」書き込み時にキャプチャされた圧力ヒートマップTIS タッチスクリーンを使用したオブジェクト認識の典型的なアプリケーションシナリオは、画面上で指を操作することです。つまり、実際の駒を使用した表示デバイス上の仮想チェスゲームです。

透明な触覚センシングのもう 1 つの重要な用途は、急速に成長している臨床内視鏡画像処理および外科手術の分野です。この分野では、カテーテルまたはチューブ形式の小型光学素子が人間の自然な腔、最も一般的には消化管に挿入されます 49,50 。理論的には、触覚センシング機能を備えた内視鏡は、接触力情報を視覚画像と統合することができ、日常的な内視鏡検査中の触覚フィードバックや組織の硬さ測定の目的に大きな可能性を秘めています51。

臨床安全性およびナビゲーション目的のための触覚フィードバックを提供するために、現在の研究は主に、内視鏡ヘッド上に固体構造で構築された古典的な MEMS 力センサーの統合に焦点を当てています7。これらの MEMS デバイスは透明ではなく硬いため、これらのアプローチでは常に、ソリッドステートセンサーを内視鏡器具上の限られたスペースに適合させるためにかなり複雑な機械設計が必要となり、その結果、装置コストがかなり高くなるだけでなく、システムの信頼性も低下します。ただし、このような複雑なデバイスアーキテクチャでは、光学レンズとの直接接触を簡単に検出することはできません。この研究では、内視鏡の触覚フィードバック用の TIS デバイスを使用して従来の MEMS センサーをアップグレードしました。接触力を伝達するための複雑な構造設計とは異なり、透明性と柔軟性に優れた TIS デバイスは、光学性能をほとんど損なうことなく、内視鏡の光学レンズの表面に直接取り付けることができます。図 6a、b は、それぞれ LED 照明で囲まれた内視鏡ヘッド上への TIS デバイスのアセンブリと統合バージョンを示しています。具体的には、内視鏡のヘッドサイズは、自然の空洞内を移動できるように直径 3.7 mm に制限されています。そこで、同径のTISデバイスを用意し、ヘッドサイズ内で内視鏡に完全に組み込みました。さらに、内視鏡内部の柔軟な電極を接続することにより、TIS デバイスの電気パッケージを変更しました。これにより、内視鏡処置中に周囲の液体から電気接続が露出するのを防ぎます。その結果、このような小型TISデバイスは内視鏡とうまく統合され、得られる画像の明るさと鮮明さにわずかな影響を与えながら光学システムの触覚機能を有効にしました（補足図8）。さらに、我々は、実際の膵臓および膵臓癌組織が内部に配置された膵臓モデル内をナビゲートするためにTIS対応内視鏡を適用し、生体内状況を模倣しました（図6c）。光学レンズと組織との間に直接接触が発生すると、TIS デバイスの容量性読み取り値は大幅な増加を示し、安全性を考慮して力のスケールに変換できます。図 6d は、モデル上の TIS 対応光学ヘッドの繰り返しタッチによる接触圧力の測定を示しています。ご覧のとおり、わずか 1 mN の穏やかな接触力は、敏感な触覚フィードバックで簡単に解決でき、これにより外科的損傷を防止したり、ロボットのナビゲーションに繊細な表面情報を提供したりできる可能性があります。

a 内視鏡レンズに取り付けられた TIS デバイスの図、b TIS 対応内視鏡の写真、c 膵臓モデルにおける TIS 対応内視鏡の内視鏡検査、d 検出された組織との接触による微小な力、 e 膵臓がん組織と f 剛性測定に使用された正常膵臓組織、 g PDMS、PDMS/Ecoflex 混合物、Ecoflex、膵臓がん組織および正常膵臓組織の剛性測定の生データ、 h 測定された傾き速度と計算された剛性試験用のさまざまなサンプルのヤング率 (「*」は標準引張試験からの参照値を示し、「#」は式 3 からの計算値を示します)。

透明電子機器と統合された内視鏡システムは、組織に関する物理的、化学的、生物学的情報も提供できるため、内視鏡検査中の腫瘍の特徴付けと除去を容易にすることができます。これまでの研究では、腫瘍組織の RF アブレーション療法と組み合わせて、インピーダンスベースのセンシング、pH ベースのセンシング、接触センシング、および温度マッピングが提供されてきました 52。ここで、もう 1 つの重要なパラメータである組織の硬さは、内視鏡による触覚測定を通じて取得できます。組織の硬さは組織の組成と不均一性を反映しており、これらは疾患の進行中に変化することがよくあります53。たとえば、悪性腫瘍は一般に正常組織や良性腫瘍よりも硬いです54。したがって、組織の硬さの統合された触覚測定は、リアルタイムで内視鏡的に悪性腫瘍をスクリーニングする簡単な方法を提供する可能性がありますが、視覚検査ではそのような情報をその場で解決することはできません55。組織の硬さの定量的評価を確立するために、次の手順が実行されました。まず、内視鏡が一定の安全限界に達するまで一定の速度でサンプルに当てられます。続いて、内視鏡の変位と TIS 装置の力出力との間の曲線 (S) の傾き率が計算されました。古典的な生体力学の理論では、ヤング率 (E) として表されるサンプルの剛性は、次のような傾斜率と経験的な関係があります。

ここで、a と b は定数であり、S の値が大きいほど、テストで得られた材料の剛性が高いことを意味します56。これにより、TIS 対応の内視鏡システムによる組織特性の定量的評価が可能になります。たとえば、膵臓癌（図6e）と正常膵臓組織（図6f）の剛性が測定されており、前者は重度の線維化により後者よりもかなり高い剛性を持っています。比較した。ヤング率が既知の 3 つの校正サンプル、つまり PDMS (E = 1.03 MPa)、Ecoflex (E = 0.07 MPa)、および 1:1 混合物 (E = 0.37 MPa) が事前に検査され、定数 (式の a および b) 3. 校正サンプルのヤング率は、補足図9に示すひずみ-応力曲線から得られます。図6gは、すべての実際のサンプルと校正サンプルからの4サイクルの剛性測定データを要約しています。これらのサンプルに対する内視鏡の検査は、干渉することなく同時に行われました。測定データの分析を通じて、すべてのサンプルの傾斜速度 S (N/mm) は、PDMS で 2.44 ± 0.088、PDMS/Ecoflex 混合物で 1.78 ± 0.058、Ecoflex で 0.92 ± 0.024、膵臓で 0.96 ± 0.027 として得られます。図6hに示すように、癌組織では0.61±0.014、正常膵臓組織では0.61±0.014です。その結果、式は次のようになります。図３は、ａ＝−２．０６５およびｂ＝０．９４３で当てはめることができ、そこから、正常膵臓組織および膵臓癌の剛性をそれぞれ３．６６２±０．６４８および６２．３７±８．６４ｋＰａとしてさらに計算することができる。どちらの剛性測定値も、文献の他の手段による報告範囲内にあり、さらに重要なことに、疾患組織は予想される正常組織の値よりも大幅に高い値を示します 57,58。簡単に言うと、視覚的測定機能と機械的測定機能を組み合わせた TIS 対応内視鏡は、光学的観察とともに正常組織と悪性組織の硬さの違いを定量的に実証することができ、将来の多機能内視鏡診断の潜在的な方向性を提供します。

さまざまな光学デバイスで接触圧の測定を実行することに加えて、TIS デバイスをウェアラブルで知覚できない形式に構成して、動脈拍波形をリアルタイムで監視することもできます。脈波波形の測定は、指またはリストバンドを介してセンシング領域に穏やかな圧力を加えることで実現できます59。図 7a、b は、直径 2 cm の円形の TIS デバイスを人間の皮膚に直接取り付けて、高い光学性によりほとんど目に見えない方法で動脈血の脈拍や筋肉の動きから生体力学的信号を取得できることを示しています。透明性。これをこめかみと手首の領域に適用すると、反復的な動脈拍動波形を高忠実度で検出でき、ボランティアの分当たり約 75 拍動と 65 拍動にそれぞれ変換できます。検出された信号は感度が高いため、収縮期ピーク (P1)、反射された収縮期ピーク (P2)、二重ピーク (P3)、拡張末期血圧 (P4) など、脈波波形のすべての重要な特徴を詳細に明らかにすることができます。。これらの特徴的なピークを使用して、動脈硬化や血圧などに密接に関連する動脈増大指数を含む、関連する血行力学的パラメータをリアルタイムで定量的に評価できます60。したがって、初期の心血管事象または症状は、そのような継続的に収集されたデータセットからのビッグデータ分析を通じて予測される可能性があります。他の代替デバイスとは異なり、TIS センサーの高い透明性により、柔軟でありながら目立たないウェアラブルデバイスを通じて患者に快適な健康モニタリング機能を提供し、患者のプライバシーを考慮しながら高忠実度の高解像度信号を生成できます42。

a こめかみの TIS デバイスによって収集された脈波信号、挿入画像は単一脈波の詳細な波形を示します。 b 手首の TIS デバイスによって収集された脈波信号、挿入画像は単一脈波の詳細な波形を示します。

要約すると、超高光透過性と高感度という特徴を組み合わせた、新たなイオントロニクス感知機構に基づく柔軟な透明触覚感知デバイスが開発された。柔軟なセンシング構造は、微小半球イオンゲルアレイで覆われたイオノード層とセンシング構造を形成する透明電極層のシンプルな2層構造で構成されており、どちらも本質的に透明度が高く、内部光の吸収や散乱を排除します。一方、イオンゲルと同じ屈折率を持つ屈折率が一致する液体が 2 つの層の間の空間に充填され、反射率の高い空気と固体の界面が除去されます。疎水性の高い RI マッチング液体は、「油と水」の反感原理によって親水性イオンゲルと安定して共存できることは言及する価値があります。このような RI マッチング戦略を使用すると、TIS デバイス内のすべての界面での反射を大幅に低減でき、センサーの光透過率を 96.9% に向上させることができます。これは、我々の知る限り文献で報告されている最高値です。さらに、微小半球アレイの弾性変形を使用して、圧力と TIS デバイスの出力の間の定量的な関係を提供する理論的な機械モデルが導出されています。注目すべきことに、デバイスの感度は、機能性材料の電気的および機械的特性の制御、および微小半球アレイの幾何学的パラメータ（サイズやアレイ密度など）の調整を通じて、89.4 kPa-1 に最適化できます。 )、これは従来の同等の容量性デバイスよりも 3 桁大きい値です。 RIマッチング戦略を使用することにより、機能界面の表面微細構造のこのような変更はデバイスの光透過性に影響を与えず、単一デバイス構造で超高透過性とデバイス感度の両方を実現します。全体として、報告された TIS デバイスは、本質的に透明なデバイスアーキテクチャの特徴と RI マッチング戦略に基づいて光透過性を最適レベルまで拡張し、同時に優れたデバイス感度を、デバイスの光透過性に影響を与えることなく達成できます。イオントロニクスセンシング原理。このような複合的な利点の恩恵を受けて、TIS デバイスは、高感度と高透明性の両方が必要とされるヒューマンマシンインターフェイス、医療および健康モニタリングなどの新興の医療および産業用途で大きな可能性を示しています。

HEMA (96%、ヒドロキシエチルメタクリレート、Aladdin Reagent Company)、PEGDA(平均 Mn 400、ポリ(エチレングリコール) ジアクリレート、Aladdin Reagent Company)、および EMIMOTF (98%、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、 Aladdin Reagent Company) をガラスビーカーに入れ、次に基板との接着性を向上させるために 0.5% wt シランカップリング剤 (97%、3-(トリメトキシシリル) プロピルメタクリレート、Aladdin Reagent Company) および 5% wt 光開始剤 (97%、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-1-ポルパノン、Aladdin Reagent Company）を使用して重合を開始します。その後、混合物を４００ｒｐｍで３０分間磁気撹拌して、均一な前駆体を得た。最後に、混合物を型に滴下し、酸素から隔離するために PET フィルムで覆い、続いて 365 nm で 30 秒間 UV 露光して、型の形状をしたイオンゲルを形成しました。

微小半球アレイ構成は、文献報告によるとフォトレジストのリフローに基づいて調製されました40。ガラス上に作製したフォトレジストテンプレートのフレームに厚さ２ｍｍのフォームテープを貼り付けた。次いで、１８４シリコーンゴム（ＳＹＬＧＡＲＤ（商標）１８４シリコーンエラストマー、ダウケミカル社）と硬化剤（ＳＹＬＧＡＲＤ（商標）１８４シリコーンエラストマー硬化剤、ダウケミカル社）とを質量比１０：１で混合し、撹拌及び真空脱泡した後、をテンプレート上に流し込み、100 °C のオーブンで 35 分間硬化させ、半球状のピットアレイ構成を備えた PDMS モールドを取得しました。 PDMS 金型を準備するプロセス全体を補足図 10 に示します。

補足図11に示すように、光透過率98％の反射防止（AR）PETフィルム（厚さ50μm、Shenzhen Shenyu Technology Co., Ltd）を透明基板として使用しました。 AgNwインク（SNW-0501、Guangdong Nanhai ETEB Technology Co., Ltd）をマイヤーバーを使用してAR PETフィルム上にコーティングして、厚さ10μmの湿潤フィルムを形成した。 120℃のオーブンで30分間乾燥させた後、透明AgNw電極を作製した。

まず、透明な下部電極をレーザーカッター (JG15S-SP-12v、ZhengYe technology) で必要な形状に切断しました。その後、イオン前駆体混合物を下部電極に滴下し、PDMS モールドで一方の側からもう一方の側にゆっくりと覆いました。次に、スキージを使用して、間に閉じ込められたかなりの気泡を静かに取り除きました。次に、前駆体混合物を 30 秒間 UV 硬化しました (GGJ-ST-3000、Ling Wei)。 PDMS モールドを剥がした後、半球状アレイ構成のイオンゲルを下部電極上に作製しました。次に、半球半径と同じ厚さの両面接着剤の枠（日東5600厚さ5μm、日東5601厚さ10μm、日東5603厚さ30μm）をイオンゲル上に貼り付け、接着させた。上部電極の端をしっかりと固定します。最後に、イオン性ゲルの屈折率と等しい屈折率をもつ RI マッチング液を上部電極とイオン性ゲルの間に注入して空気をすべて追い出し (目に見える気泡をすべて追い出すために真空チャンバーに入れました)、こうして TIS を形成しました。エポキシ接着剤を使用して針ポートを密閉した後、デバイスを取り付けます。シングルポイント TIS デバイスを準備するプロセス全体を補足図 12 に示します。

面積 3 × 3 cm2 のシングルポイント TIS デバイスを移動ステージ (KMTS50E/M、Thorlabs) に固定し、0.2 mm/分の速度で動力計 (M5-10、Mark-10) まで移動させました。 1 × 1 cm2 のシリコンゴムパッドをダイナモメーターヘッドの上部に設置し、TIS デバイスの中央領域に均一な圧力を加えました。 LCR メーター (TH2829C、TongHui) を使用して、駆動周波数 1 kHz、ピークツーピーク電圧 1 V でデバイスの静電容量を測定しました。TIS デバイスの静電容量対圧力性能は、次の方法でテストされました。ダイナモメーターで測定された力とLCRメーターで測定された静電容量値を同時に記録します。

静電容量対圧力性能テストのための TIS デバイスの静電容量は、LCR メーター (TH2829C、TongHui) を使用して 20 秒間測定されました。 3 サイクル中の平均静電容量は、TIS デバイスの初期静電容量として扱われました。

準備した 1 × 1 cm2 の滑らかな表面を持つイオンゲルを 2 つの電極の間に挟みました。移動ステージを使用して構造に約 100 kPa の圧力を加え、電極とイオンゲル間の完全な接触を確保しました。次に、LCR メーターを使用して、100 ～ 20,0000 Hz の正弦信号と 1 V のピークツーピーク電圧で 2 つの電極を介して構造の静電容量を測定しました。

イオンゲルを直径30mm、高さ20mmの円柱状に作製した。シリンダーを単柱力試験機（ESM303、Mark-10 Corporation）の底部に置き、13 mm/分の速度で圧縮した。動力計 (M5-200、Mark-10 Corporation) を使用して、シリンダーに加えられた力を記録しました。次に、測定された変位から計算されたひずみと、測定された力から計算された応力に従って、イオン性ゲルの工学的応力ひずみ曲線がプロットされました。したがって、イオン性ゲルのヤング率は、比較的低いひずみ範囲での曲線の傾きから得られました。

光透過率は、紫外可視分光光度計(Lambda 25、PerkinElmer)により400〜800nmで測定した。すべてのサンプルの光透過率は、脱イオン水と比較された RI マッチング液体を除き、空気と比較されました。

センサーの応答率は、信号発生器 (AFG1022、Tektronix) によって生成された方形波 (信号周波数は 1 Hz、ピークツーピーク電圧は 20 V) で圧電ビーム (QDTE52-1、PANT) を駆動して測定されました。 1 × 1 cm2 の単一点 TIS デバイスに約 1 kPa (動力計で測定) の 1 Hz の周期的な接触圧力を加え、デバイスのリアルタイム静電容量曲線をデータ収集カード (DAQ、NI USB-6361) で記録しました。、NIインスツルメンツ社）。応答速度テストのシステムセットアップを補足図13に示し、シングルポイントTISデバイスの信号読み出し回路を補足図14に示します。

再現性テストの手順は応答率テストと同じです。唯一の違いは、再現性テストの信号周波数が 5 Hz であることです。

32 × 32 TIS アレイは、電極の準備を除き、シングルポイント TIS デバイスの準備と同じプロセスに従って作成されました。ここでは、UV レーザーを使用して上部電極と下部電極の AgNW コーティングを切断してストリップパターンを形成し、上部電極を接合する前にパターンを直角に位置合わせしました。次に、異方性導電フィルム (ACF、厚さ 50 μm、3 M 9703) ボンディングプロセスを介して FPC コネクタを使用して、TIS アレイを信号読み出し回路に接続しました。

まず、すべての素子をレーザーカットにより設計形状に加工し、透明電極は直径3.7mmの円形、ACFと両面接着剤（日東5601）は幅0.3mmの円形リング、フレキシブル銅を使用しました。コーティングされたポリイミドフィルム（CPF、25μmのポリイミドフィルム上に1μmの銅層をスプレーすることによって調製）は、読み出し回路を接続するためのテールを備えた円形リングでした。その後、すべての要素を下部透明電極、ACF、フレキシブルCPF、両面接着剤、フレキシブルCPF、ACF、上部透明電極の積層構造でTISデバイスに組み立てました。このうちACFは透明電極と透明電極の接着に使用されました。 CPF。上部電極を覆う前に、上面に微小半球アレイ構造を有するあらかじめ調製したイオンゲルを下部電極上に置き、続いてRIマッチング液を注入した。最後に、上部電極を覆った後、光学的に透明な接着剤 (K-3022、Kafuter) を使用して、TIS デバイスを内視鏡の上部に統合しました。準備プロセス全体を補足図16に示します。

TIS デバイス一体型内視鏡は移動ステージ (KMTS50E/M、Thorlabs) に固定され、サンプル (プラットフォーム上の膵臓モデルまたはさまざまな組織) に向かって 1 mm/分の速度で移動します。プロセス全体におけるTISデバイスの信号は、補足図14に示すシングルポイントTISデバイスの読み出し回路によって記録され、Labviewソフトウェアによってリアルタイムで表示されました。読み出し回路では、信号発生器 (AFG1022、Tektronix) が正弦波信号 (ピークツーピーク値で 1 kHz、1 V) を TIS デバイスに出力し、その後、調整可能なフィードバック抵抗を備えたオペアンプを使用してこの信号を増幅します。そして最後にDAQによって読み取られます。触覚センシングを備えた内視鏡検査のテストセットアップの写真を補足図17に示しました。

膵管癌サンプルは、中国の深セン第二人民病院で膵臓癌の手術を受けた患者の膵頭部から採取されました。この研究では、病歴のない非職業的患者が同意を得て募集され、深セン第二人民病院の治験審査委員会および中国科学院深セン先進技術研究所から承認されたプロトコールに従って扱われた（SIAT-YSB-2021-）。 Y0213）。

シングルポイント TIS デバイスの作成プロセスに従って、直径 1 cm の健康モニタリング用 TIS デバイスを作成しました。両面接着剤 (Nitto 5603) を使用して皮膚に貼り付けた後、シングルポイント TIS デバイスの読み出し回路を使用して TIS デバイスの信号を記録しました。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて著者から入手できます。著者らは、この研究の結果を裏付けるデータが論文および対応する補足資料ファイル内で入手可能であることを宣言します。

この論文内の結果およびこの研究のその他の結果をサポートするコードは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

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この研究は、海外の中国人学者と香港およびマカオの学者のための共同研究基金（51929501）、中国国家自然科学財団（62001461）、広東省革新的および起業家チームのためのプログラム（2016ZT06D631）、自然科学広東省設立 (2019A1515010796)、深セン単一分子検出および機器開発工学研究所 (XMHT20190204002)、深セン基礎研究プログラム (JCYJ20180305180923182 および JCYJ20170413164102261)。著者らは、中国科学院深セン先端技術研究所の Xiuli Xu 氏、Zongyin Hu 氏、および Tacsense の Hon Ye 氏に感謝します。 TIS システムのハードウェアおよびソフトウェア設計のサポートに感謝します。著者らはまた、TIS デバイスの力学理論解析についてご支援いただいた復丹大学の Qi Tong 教授と Yi Gong 教授、中国科学技術大学の Yuhang Chen 教授と Baoqing Li 教授の支援に感謝します。 TISデバイスの光学理論解析に関する研究。

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ティンルイ・パン

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TP、YC、ZGY はアイデアを概念化し、研究を指揮し、プロジェクトをサポートしました。 JT と YC はデバイスを製造して特性評価し、データを分析しました。 CZとQLは人体組織実験を実施した。 JT が原稿執筆に協力し、TP と YC が原稿を改訂しました。

Yu Chang、Zhenguo Yang、Tingrui Pan への対応。

YC と TP は、医療および産業用途向けのイオントロニクスセンシング技術を開発している TacSense, Inc. に関与しています。

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転載と許可

Tang, J.、Zhao, C.、Luo, Q. 他触覚知性を実現する、超高透明で感圧性のイオントロニクスデバイス。 npj Flex Electron 6、54 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41528-022-00162-y

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受信日: 2021 年 11 月 2 日

受理日: 2022 年 3 月 30 日

発行日: 2022 年 6 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00162-y

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