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Dec 08, 2023

電子タトゥーとは何ですか?

Immagina un mondo in cui i dispositivi medici di livello clinico eseguono attività cerebrali.

脳活動スキャナー、心拍数モニター、血圧センサーなどの臨床グレードの医療機器が、着用者には気づかれない小さなステッカーに貼り付けられる世界を想像してみてください。 それが電子タトゥー技術の約束です。

電子タトゥーは、装着者の皮膚に取り付けてデータを無線で送信する統合センサーを備えたソフト ウェアラブル デバイスです。 電子タトゥーはユーザーの体のどこにでも取り付けることができ、体の電気インパルスから着用者の汗の化学組成まであらゆるものを追跡するために使用できます。

電子タトゥーは、人の皮膚に取り付けるセンサー付きの柔らかいウェアラブル デバイスで、通常はデータ収集に使用されます。 これらのデバイスは多くの場合、グラフェン、カーボン、導電性ポリマーなどの導電性材料で作られており、生体電位、つまり着用者の体から発せられる電気信号を測定することができます。 (例: 筋肉のインパルス、心拍数、脳の活動。) 動きを追跡する加速度計、温度センサー、さらには着用者の汗の化学組成を測定するセンサーなど、他のセンサーも装備することができます。

電子タトゥーと、運動中に着用するスマートウォッチや胸ストラップ心拍数モニターなどの従来のウェアラブル機器との主な違いは、ソフトなフォームファクターにより、長時間使用するために硬いデバイスを簡単に取り付けることができない体の部分に取り付けることができることです。生理期間（基本的に手首以外の場所）。 また、柔軟で薄い素材を使用することで、硬いセンサーよりも着用者の皮膚との密着性が高く、これは身体の電気インパルスを確実に測定するために不可欠です。 その結果、従来のウェアラブルよりも快適に装着でき、多くの場合、最近まで研究室や病院でしか収集できなかったデータを収集できるデバイスが誕生しました。

電子タトゥーは継続的に着用できるように設計されているため、研究者や医療専門家は、以前は追跡が不可能だった、または法外に高価だったデータを収集できるようになります。 たとえば、脳の活動や目の動きを捕捉する電子タトゥーは、現実世界のシナリオによく似た脇見運転シミュレーションの研究対象者に適用できる可能性がある。 また、医療現場では、電子タトゥーを使用すれば、観察のために病院に滞在しなければならなかった患者を自宅で継続的に監視することができます。

クエリー・シンプソンバイオエレクトロニクス研究所所長のジョン・ロジャース氏は、「この分野では多くの勢いが高まっており、この技術をより多くの人々に向けてうまく応用できれば、健康状態の監視と医療の提供についての考え方が大きく変わるだろう」と述べた。ノースウェスタン大学の博士号を取得し、2011 年にサイエンス誌に発表された電子タトゥーの新興分野について概説した主要な研究論文の共著者です。 「コストを削減し、患者の転帰を改善する可能性があります。」

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電子タトゥーは、センサーを接着剤で皮膚に貼り付けます。基本的には極薄のステッカーのようなものです。 これらのセンサーは、装着者のスマートフォンや専用デバイスなど、受信機を備えたデバイスにデータをワイヤレスで送信します。 一部の電子タトゥーには、私たちが動いたり、考えたり、感覚を通じて世界と対話したりするときに体が発する微妙な電気インパルス、つまり生体電位を感知する導電性材料の薄い層が組み込まれています。

「人体は実際には電気機械です」と、ナノテクノロジー研究者でテキサス大学オースティン校の教授であるデジ・アキンワンデ氏は言う。 「体のあらゆる部分には、特定の機能と相関する特徴的な電気信号があります。」

電気は最も抵抗の少ない経路を探し、人体は電気に対して完全に絶縁されていないため、これらの信号の一部は人体から電子タトゥーの導電層に飛び込みます。 信号は、導電性材料に取り付けられたセンサーによって測定できます。

「体は実際には電気機械です...体の各部分には、特定の機能と相関する特徴的な電気信号があります。」

生体電位、特に脳から発せられる信号のような微弱な電位を測定するデバイスの場合、導電性材料が可能な限り皮膚に密着し、接触面を最大化することが重要です。 これは想像以上に大きな課題です。腕や額など、皮膚が比較的平らに見える領域でも小さな凹凸が多数あり、接触不良や素材同士の擦れによるデータノイズの原因となる可能性があるからです。着用者の動きに合わせて。

歴史的に、この課題は臨床現場において、これらのギャップを埋める導電性ゲルを使用することによって克服されてきました。 しかし、ナノテクノロジーの進歩のおかげで、研究者は現在、ゲルの必要性を排除できるほど十分に薄い膜 (場合によっては炭素原子 1 個分の厚さ) を作成できるようになりました。

「材質や皮膚の状態に応じて、ゲル電極と同じか、場合によってはそれよりも低い接触インピーダンスを実現できます」と、UTオースティン校Lu研究グループの主任研究員であり、『 2011年の科学論文。

ただし、電子タトゥーの多くは、特に心臓から発せられる信号など、より強い信号を捕捉する場合には、より安価で厚い導電性材料を使用します。 また、電気信号をまったく測定せず、代わりに加速度センサーや温度センサー、または着用者の汗の化学組成に依存するものもあります。

電子タトゥーの導電層は、金やカーボンなどの純粋な導電性材料を使用して作成できます。 これらの用途に必要な柔軟性を実現するために、金を薄い S 字型のリボン状に伸ばし、カーボンを 2 次元六角格子状に配置します (このように配置されたカーボンは一般にグラフェンと呼ばれます)。

電極層は、PEDOT のような導電性ポリマーを使用して作成することもできます。PEDOT は、グラフェンほど薄くはありませんが、イオン伝導性と電子伝導性の両方を備えているという利点があります。 身体自身の信号がイオン性であるため、イオン伝導性によりデバイスの感度が向上し、追加された厚みと減少した接触面が補われるとルー氏は述べた。 しかし、これらの材料はどれも高価であるため、一部の研究者は代わりに複合材料を選択しています。

「ゴムマトリックス、PDMS、Ecoflex、ポリウレタンなどの非導電性ポリマーマトリックスを使用し、その後、カーボンナノチューブ、銀ナノワイヤー、カーボンブラック粒子、グラフェンフレークなどの導電性フィラーを追加できます」とルー氏は述べた。 「利点は、非常に安価なことです。完璧なグラフェンや銀の広い面積のシートは必要ありません。いくつかのナノ粒子が必要で、それを混合するだけです。」

現在使用されている電子タトゥーは一時的なもので、多くの場合、数日間しか持続しないように設計されています。 これは主に、電子タトゥーの電極層（接着剤と導電性材料を含む部分）が時間の経過とともに劣化し、皮膚から剥がれてしまうことが原因です。 このため、広く普及するには材料コストの削減が重要となります。

ただし、コストを下げる唯一の方法は、材料を安くすることだけではありません。 ルー氏は、彼女の研究室の研究者らは、信号を読み取って送信する電子部品を使い捨ての層から分離することにも熱心に取り組んでおり、これらの部品がタトゥーの残りの部分と一緒に捨てられるのではなく、再利用またはリサイクルできるようにしていると語った。 将来的には、これにより、耐久性のある再充電可能な電子コンポーネントと皮膚に貼り付ける使い捨ての電極層を備えたデバイスが実現される可能性があります。

また、電子タトゥーはまだ比較的新しい種類のテクノロジーであるため、研究者は耐久性や寿命よりも機能性を重視しています。 アキンワンデ氏は、これらのデバイスが広く普及すれば、電子タトゥーをより長持ちさせることを目的としたイノベーションの波が起こると予想している。

「それには、学者と病院や企業などの最終用途機関との間の多くのパートナーシップが必要です」と彼は言う。

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電子タトゥーには、行動研究やロボットやビデオゲームの入力制御など、幅広い用途の可能性があります。 しかし、他のウェアラブル技術と同様に、今日の電子タトゥーのイノベーションは主に健康とウェルネスに焦点を当てています。

電子タトゥーは、未熟児で生まれた赤ちゃんのバイタルサインを監視するために使用できます。 病気、障害、死亡のリスクが高いため、妊娠 37 週より前に生まれた赤ちゃんは通常、新生児集中治療室 (NICU) でバイタルサインを継続的に監視されます。 このモニタリングでは通常、有線センサーを患者の皮膚にテープで貼り付ける必要がありますが、皮膚は未発達で脆弱なため、痛みや怪我を引き起こす可能性があります。

この問題に対処するために、ロジャース氏とノースウェスタン大学の研究チームは、従来の NICU センサーによって捕捉されたすべての信号 (心拍数、呼吸数、体温、血中酸素) に加え、血流、血液などの追加のデータポイントを監視する電子タトゥーを開発しました。圧力を測定し、深部体温と表面温度を個別に測定します。 また、これらのタトゥーは軽量でワイヤレスであるため、従来のセンサーに使用される接着剤の 10 分の 1 の強度しか使用できず、患者の皮膚への負担が軽減されます。 さらに、ワイヤレス監視デバイスを使用すると、退院後も監視を継続できるため、親のストレスを軽減できます。

ロジャース氏によると、こうした機器が広く普及すれば、新しいセンサーを追加し、その結果を機械学習で分析することで、医師がトラブルの兆候を早期に発見できる可能性もあるという。

「私たちは、胃腸の音、呼吸音、泣き声に関連する皮膚の振動を捕捉する高帯域幅の加速度計を持っています」と彼は言いました。 「これは、考えるのに非常に強力な軌道だと思います。従来のバイタルサインにとどまらず、ニューラルネットワークを通じてかき混ぜることができる一連の特性全体を捕捉するということです。」

現時点では、泣き声のパターン、胃腸の活動、筋肉のけいれんが、介入が必要な健康上の問題とどのように相関しているのか、正確にはわかっていません。 しかし、時間の経過とともに、人間の観察者には気づかないほど微妙なパターンを検出するようにアルゴリズムが訓練される可能性があり、それが結果的に早期の介入とより良い健康結果につながる可能性があります。

電子タトゥーは、パーキンソン病、脳性麻痺、アルツハイマー病などの神経疾患に罹患している患者の医療を改善するために使用できます。 これらのデバイスは、加速度計を通じて電気インパルスや物理的な動きを測定することで、医療従事者が不随意運動の頻度と重症度を理解するのに役立ちます。このデータは、薬の調整や患者のスケジュールの変更に使用して、日常業務をより管理しやすくすることができます。 将来のデバイスは、患者の汗に含まれるパーキンソン病の治療薬を測定するためにも使用される可能性があり、これにより患者ケアの調整に役立つデータポイントがさらに追加される可能性があるとロジャーズ氏は述べた。

「これは、これらのデバイスを患者の解剖学的構造の任意の場所に配置できる機能によって非常にユニークに可能になります...Apple Watch を首にストラップで固定することを想像するのは難しいです。」

ロジャースのチームは、アルツハイマー病を含むさまざまな神経疾患患者に共通する合併症である嚥下の問題を特定し、より頻繁に嚥下するよう患者に思い出させる触覚または視覚的フィードバックを提供するために、着用者の首の付け根に取り付ける装置にも取り組んでいる。呼吸サイクルの適切なタイミングで飲み込むのを助けます。

「これは、これらのデバイスを患者の解剖学的構造の任意の場所に配置できる機能によって非常にユニークに可能になります」とロジャース氏は述べています。 「Apple Watchを首に掛けるなんて想像するのは難しい。」

今年初め、アキンワンデ氏とテキサスA&M大学オースティン校の研究チームは、着用者の血圧を高精度で継続的に測定できる電子タトゥーを開発した。 アキンワンデ氏は、彼のチームが血圧に焦点を当てることにしたのは、一般的に認識されている4つのバイタルサイン（体温、脈拍数、呼吸数、血圧）のうち、現実の環境では1日を通して簡単に監視できない唯一の1つだからであると述べた。 。

アキンワンデのチームが設計した電子タトゥーは、穏やかな電流で皮膚を刺激し、電流が体を流れるときの電気インピーダンス、つまり抵抗を測定します。 これらの測定値は機械学習アルゴリズムに入力され、このデータを使用して着用者の血圧を推測します。

血圧は従来、膨張可能なカフを使用して測定されていましたが、患者はじっと座っている必要があり、一日中繰り返し測定するにはかさばりすぎます。 対照的に、継続測定用に設計されたデバイスでは、血圧測定値を他のデータと照合して、実際の生活環境における食事、運動、睡眠、ストレスレベルが血圧に与える影響についての洞察を得ることができます。 これは、医師が特定のライフスタイルの変更を推奨し、その影響を追跡したり、患者が高血圧の治療に使用している薬の有効性を測定したりするのに役立つ可能性があります。

電子タトゥーによって着用者の筋肉から収集された信号は、ジェスチャーでロボットを制御するために使用できます。 それは、着用者の実際の腕の動きを反映するロボットアーム、または微妙な手の動きで制御できるドローンのように見える可能性があります。 この技術は義肢の制御にも利用できる可能性がある。

電子タトゥー技術は理論的にはスマートウォッチやその他のウェアラブル機器に取って代わる可能性があるが、すぐにそうなる可能性は低い。 フィットネス追跡に最も関連するバイタルサインである心拍数と呼吸は、腕時計やチェストストラップで拾えるほど強力で、フォームファクターが大きいため、バッテリーはもちろんのこと、加速度計や位置追跡などの機能を簡単に追加できます。それらすべてに電力を供給するために必要です。

しかし、電子タトゥーは、たとえば瞑想中の脳活動など、従来のウェアラブルでは測定できないものを測定するために使用できます。 ロジャース氏が共同創設者であるハイテク新興企業エピコア・バイオシステムズは、スポーツ栄養ブランドのゲータレードと提携して、着用者の皮膚からの水分摂取量と電解質の損失を測定するスマートボトルとコンパニオンスキンパッチを製造した。

電子タトゥーは、着用者が動き回っても継続的に測定できるため、これまで不可能だった方法で人間の行動や注意力を研究するために使用できます。 電子タトゥーは、トラック運転手、航空会社のパイロット、重機のオペレーターの脳活動と目の動きを測定して、注意力が散漫になり始める前に安全に休憩を取れる時間を判断するために使用できる可能性があります。

一連の電子タトゥーやその他のセンサーを人の体に適用することで、研究者らはデジタルツインのビジョン、つまり長寿を改善できる個人のライフスタイルの変化を特定するために使用できる人の仮想表現の実現にも近づくことができるとアキンワンデ氏は述べた。 、または、同様の特性を持つ患者の結果に基づいて病気の治療オプションを選択することもできます。

ルー氏は、この技術を利用して人間とロボットアシスタントの間のより良いインターフェースを開発できる可能性があると述べた。 家庭や職場でロボットと対話する人間を監視することで、エンジニアはストレスやコミュニケーションの破綻の瞬間をより簡単に特定し、それらを回避するようにロボットの動作と設計を適応させることができます。

電子タトゥーを使用すると、物理的なジェスチャーで仮想現実やメタバース環境でアバターを操作したり、ターゲットを絞った触覚フィードバックを提供したりして、より没入型の VR 体験を実現できます。 しかし、このテクノロジーは、仮想検査を通じて医師にリアルタイムのバイタルサインデータを提供することで、遠隔医療を改善するためにも使用できる可能性があります。

「遠隔医療を次のレベルに引き上げることができるでしょう」とアキンワンデ氏は語った。 「直接の訪問をほぼ再現できるでしょう。これがメタヘルスの背後にある考え方です。」

電子タトゥーは非常に汎用性が高いため、特に効果的な患者モニタリングが生死に関わる医療現場では、今後数年間でさらに普及する可能性があります。 しかし、消費者レベルで電子タトゥーが広範囲に導入されるには、消費者が使用や廃棄について躊躇しないほど、デバイスの寿命が長くなるか、安価で簡単にリサイクル可能になることが求められるだろう。 (ノースウェスタン大学のプレスリリースによると、ロジャースの NICU センサーの価格は約 10 ドルです。医療機器としては安いですが、使い捨ての運動トラッカーや VR アクセサリとしては高価です。)

電子タトゥーは、モニタリングを超えて、皮膚を通して医薬品を投与したり、身体の一部を刺激してリハビリテーションをサポートしたりするために使用される可能性があります。 電子タトゥー技術が進歩するにつれて、慢性的な健康状態に関連するバイタルサインを測定し、必要に応じて自動的に薬を放出する内蔵型デバイスが想像されるかもしれません。

「家庭用電化製品およびガジェット業界の開発活動の波に乗っています。バッテリーの小型化、電子機器の電力効率の向上、設置面積の縮小など、トレンドラインはすべて正しい方向に向かっています。それはごく自然にうまくいくでしょう。」

ロジャーズ氏の見方では、電子タトゥーをさらに普及させるという課題は、主に物流と運営にかかっています。多くの病院には、そのようなデバイスを効果的に使用するために必要な無線機器やデータストレージ機能が不足しているからです。 このハードルを克服するために、彼のチームは、必要なインフラストラクチャの構築で提携できる既存の病院監視機器ベンダーとの関係を構築することに重点を置きました。

そしてエンジニアリングの面では、電子タトゥーは時間の経過とともにさらに簡単になるでしょう。

「物理法則を破る必要はない」とロジャーズ氏は語った。 「家庭用電化製品およびガジェット業界の開発活動の波に乗っています。バッテリーの小型化、電子機器の電力効率の向上、設置面積の縮小など、トレンドラインはすべて正しい方向に向かっています。それはごく自然にうまくいくでしょう。」