動的環境向けデジタル刺繍メタマテリアルバイオセンサー
刺繍形式の超材料バイオセンサー：運動環境における非接触型生体信号モニタリング
近年、スマートカー、航空安全、健康モニタリングの需要が増加する中で、さまざまなセンサー技術が急速に発展しています。しかし、特に動的な環境で生理信号を測定する場合、従来型センサー技術には、信号干渉や振動の影響、プライバシー問題など、多くの課題があります。この課題に対処するために、本研究はデジタル刺繍によって製造された超材料バイオセンサーを提案し、運動環境下でも高品質な心肺信号を非接触で取得できる新しいアプローチを提供しました。
背景と動機
統計データによると、アメリカだけで毎年10万件以上の交通事故が、ドライバーの疲労や注意散漫などの要因によって引き起こされています。これを減少させるために、自動車用バイオセンサーは、有望なソリューションとして注目されています。これにより、ドライバーの疲労状態やストレスレベル、健康リスクを検知することで、交通事故を未然に防ぐことができます。しかしながら、現在普及しているセンサー技術は、動的な環境において複数の課題に直面しています。例えば、車内での振動、体の動きによる干渉、閉じた空間における多重反射などが挙げられます。また、接触型の監視方法（ハンドルに取り付けられた電極など）は、安定した肌接触が必要であり、実際の走行状況では維持が難しいです。さらに、カメラを使用した監視方法は、光の条件に依存し、プライバシーの問題や検出精度の限界も存在します。
その一方で、非接触型のモニタリング能力を持つワイヤレスセンサーは、より優れた代替案と考えられています。レーダーやWi-Fiなどの技術は、車内環境における生理信号の監視（例えば心拍や呼吸の検知）に使用されていますが、振動ノイズや多重反射の影響により、動的環境下では信号の品質が低下し、複雑性が高く、製造コストも増大する問題があります。
シンガポール国立大学（National University of Singapore）や清華大学深圳国際大学院（Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute）などの研究チームが開発したデジタル刺繍超材料バイオセンサーは、超材料デザインと効率的なテクスチャ製造技術を組み合わせ、身体に触れることなく人体の心肺信号を取得することが可能であり、複雑な動的環境でも効果的に機能することが示されました。
論文の出典
この研究は、シンガポール国立大学電気・計算工学科の Qihang Zeng、Tian Xi、Nguyen Dat T. らによって主導され、清華大学深圳国際大学院、SIA-NUSデジタル航空ラボなどの専門家による共同研究です。論文は2024年11月、《Nature Electronics》第7巻にオンライン掲載されました。
研究内容の概要
実験プロセスとセンサー設計
センサー製造
研究チームはデジタル刺繍技術を開発し、導電性のある糸を使用して、特殊な波導構造を持つ超材料を布地上に刺繍しました。刺繍によって作成される波導は無線信号を正確に伝導し、人体組織との近接場相互作用によって生体運動を検出します。この方法は、ポリエステル（polyester）や綿（cotton）など、さまざまな基材に対応しており、安全ベルトなどの既存の装置に統合することが可能です。刺繍材料の選択と平面設計は、電磁気シミュレーションを用いて最適化されており、信号伝送効率と折り曲げ耐性が確保されています。構造最適化
超材料波導は、空洞付きの櫛形デザインを特徴とし、無線信号の波長を大幅に圧縮、自由空間波長の約4分の1にしました。また、波導と同平面波導（Coplanar Waveguide, CPW）間の遷移セクションは、漸進的なマッチングデザインにより設計され、伝送効率を向上させ、変換損失を低減しました。動作原理
実験では、センサーを組み込んだ安全ベルトが無線信号を伝導し、心拍や呼吸による生体組織の変動を感知しました。この変動は無線信号の位相変調に変換され、生理信号モニタリングを実現しました。
データの収集と処理
- 研究チームはソフトウェア定義無線（SDR）装置を使用し、センサー信号を収集しました。収集されたデータは、信号復調と非線形分解アルゴリズム（例えば変分モード分解、VMD）によって、呼吸および心拍の成分が抽出されました。この方法は従来の数値モデルと比較して、ノイズを大幅に削減する能力を有しています。
- 航空キャビンと実際の車両という2つの動的環境における検証実験では、参照ECG測定装置との比較を通じて、センサーの高い正確性と堅牢性が示されました。
主な研究成果
航空環境の模擬試験
航空キャビンのシミュレーターにおいて、センサーが肩帯や腰帯に統合され、さまざまなテストを行いました。その結果、厚手の衣類を着ていても、センサーは安定して心拍と呼吸の信号を取得することができ、心拍測定誤差の標準偏差は3 bpmでした。また、話し、飲み物を飲み、タイピングするなどの日常的な行動においても、生理状態の変化を効果的に検出できました。リアルタイムの睡眠モニタリング
さらに、6時間の睡眠実験において、心拍数の変化を基に睡眠段階を検出する能力が評価されました。センサーは、入眠過程における心拍数の低下（約15 bpm）や覚醒時の急激な増加といった生理変化を検出しました。この結果は、参照用のスマートウォッチデータと整合し、睡眠・覚醒分類の正確性は95％に達しました。車載環境でのテスト
車両環境試験では、センサーを安全ベルトに統合し、運転席周辺に設置しました。静止中、低速運転中、さらには都市環境の複雑な走行条件でも、センサーは高い精度で信号を収集でき、性能低下は見られませんでした。また、分析により、眠気のある段階での生理状態の変化（心拍数の大幅な低下）も検出しました。
意義と応用の展望
本研究は、運動環境における生理信号取得の課題を克服しつつ、既存装置との統合性の高さと製造の容易さを実現したデジタル刺繍超材料バイオセンサーの新技術を報告しました。
科学的意義
- 健康モニタリング分野における超材料技術の応用を促進しました。
- 動的環境での生理信号検出における新しい近距離ワイヤレス相互作用法を提供しました。
実用化の展望
- スマートカー分野では、運転者の健康管理や疲労検出、健康リスク予防に貢献する可能性があります。
- 航空分野では、航空機の安全ベルトと組み合わせて低コストで機内健康モニタリングを実現できます。
- 医療分野では、長期的な睡眠モニタリングや日常生活の健康管理ツールとして応用が期待されます。
研究のハイライトとイノベーション
- 動的環境下での生理信号測定における課題を包括的に解決し、刺繍可能な超材料を利用して非接触型のモニタリングを実現しました。
- センサーは低コスト、製造の簡易性、および既存デバイスとの高い互換性を備えています。
- 複雑な動作環境（航空および車両）において、優れた堅牢性を発揮し、リアルタイムでの信号処理に適した高性能を示しました。
この研究は、優れた性能を実証するだけでなく、化学・生物・工学分野の研究者に新しいツールを提供しました。そして、今後多様な現場での健康モニタリングの実用化に向けた基盤を築きました。