新生児集中治療室（NICU）の赤ちゃんは小さく、壊れやすく、ワイヤーで覆われています。 心拍数を監視するためのワイヤ、血圧を監視するためのワイヤ、温度を監視するためのワイヤ、血液の酸素化を監視するためのワイヤ。 赤ちゃんが小さな腕を振るのが難しくなり、両親が手を上げることはもちろんのこと、両親が触るのがさらに難しくなります。
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現在、材料科学の進歩により、これらのワイヤは最終的に消滅する可能性があります。 ノースウェスタン大学の研究者は、非常に薄くて伸縮性のある電子パッチを開発し、さまざまなバイタルサインと身体の動きを監視しています。
これらのパッチは「人間のヘルスケアとリハビリテーションをより効率的かつ効果的にする強力な可能性を持っています」と研究を率いた科学者ジョン・ロジャースは言います。
現在パッチは人間の試験中ですが、一時的な入れ墨のように見えます。 それらは、伸縮性のある基板上に小さな半導体チップを置くことで作成されます。 基板には、金属フィラメントの波状パターンが埋め込まれています。これにより、電気信号を伝送できます。 全体が小さなアンテナを使用して情報をワイヤレスで送信するため、ワイヤやチューブに接続する必要はありません。 ロジャースは、パッチを「表皮エレクトロニクス」と呼んでいます。
NICUの赤ちゃんにとっての利点は明らかです。初期の試験では、従来のセンサーのワイヤーを引っ張り続けていた1人の赤ちゃんは、表皮の電子機器にまったく悩まされませんでした。 しかし、利益を得るのはNICUの赤ちゃんだけではありません。 ロジャースと彼のチームは、いくつかの異なる分野で表皮電子機器の試験も行っています。 1つの分野はリハビリテーション医学です。 ロジャースのチームは、6月から、不随意性振戦で衰弱することが多いパーキンソン病患者の試験を開始します。 トライアルでは、被験者の全身のさまざまな場所にパッチを置き、それらを使用して筋肉の活動と運動の特性を測定します。
「目標は十分に正確な分析を開発することです。これにより、振戦の実際の早期発症を特定し、病気の発症を特徴付け、さらに薬の有効性を特定することができます」とロジャースは言います。
患者の神経筋活動を監視することにより、研究者は、振戦のわずかな増加に基づいて、患者が投薬をスキップしていたかどうかを把握することさえできました。
同じ技術は脳卒中患者にも役立つ可能性があり、医師が自宅でリハビリテーションを受けている間に進行状況を追跡できるようになります。
ロジャースと彼のチームはまた、さまざまなプロスポーツチームで表皮電子機器を試用しています（ロジャースはどのチームを選ぶかについては自由ではありませんが、フットボール、野球、バスケットボールのチームが含まれます）。 この技術により、トレーニングの進捗状況を追跡できるため、コーチはピッチャーが正しいフォームを使用しているかどうかを確認できます。 また、フィールドの疲労を示す動きの小さな変化を監視し、コーチがプレーヤーが疲れすぎて最適なプレーができないことを、他の誰にも明らかになる前に見ることができます。
「アイデアは、心拍数、ピッチングメカニック、フリースローシューティングメカニック[など]を監視できるようにこれらのデバイスを設計することです」とロジャーズは言います。
ロジャースは、長年にわたって柔軟な電子技術に取り組んできました。 2011年、彼は科学の記事で皮膚パッチのプロトタイプの詳細を発表しましたが、後でそれを改善して耐久性を高めました。 2015年、彼の研究室は血流を測定できるパッチのバージョンを発表しましたが、昨年は生化学的マーカーについて汗を分析するためのパッチを作成しました。 科学におけるロジャースの研究についての解説で、エンジニアのZhenqiang Maは、表皮電子機器が健康監視に関する現在の問題の多くを潜在的に解決し、「監視をより簡単で、信頼性が高く、中断することなく可能にする」と書いています。 また、「体熱収集やウェアラブルラジオなど、生理学以外の用途を持つ他の種類の電子スキンも、将来の研究の興味深い方向性を示している可能性がある」と書いています。
ロジャースは表皮電子機器の父と考えられていますが、多くの研究者がさまざまな方法で技術の進歩に取り組んでいます。 一部の人々は、いつかは心臓ペースメーカーなど、皮膚を超えた用途にフレキシブルな電子機器が使用され、血中酸素レベルや血糖値などを常にチェックする継続的なヘルスモニターとして遍在することさえあると考えています。 スタンフォード大学からマサチューセッツ工科大学、日本、スウェーデンの大学までの研究者は、技術の小型化や耐久性の向上など、フレキシブルエレクトロニクスのさまざまな側面に取り組んでいます。
化粧品会社のLaroche-Posayは、UV暴露を監視するためのハート型のパッチを作成しました。 現在、デバイスの待機リストがあります。 無線でデータを送信するロジャースの表皮電子機器とは異なり、UVパッチは色を変えることで機能します。 対応するスマートフォンアプリが色の変化を読み取り、長時間太陽の下にいた場合に通知します。
表皮電子機器の作成に10年を費やした後、残りの課題は最適化とセキュリティに関するものよりも工学に関するもののほうが少ない、とロジャーズは言います。 デバイスはワイヤレスで送信するため、データの暗号化が懸念されます。 また、ロジャースは、デバイスをさらに開発し、潜在的に汗などの生体液をサンプリングし、健康や病気を示すバイオマーカーの化学分析を行う機能を提供したいと考えています。 （ロジャースはこの分野ですでに仕事をしています）チームはまた、薬を与える控えめな方法であるかもしれない皮膚を通して液体を届けるためのデバイスの開発を検討しています。
「私たちはそれについてかなり楽観的です」とロジャーズは言います。 「私たちが今日できることはたくさんありますし、将来は追加のことができる可能性がたくさんあります。」
