MITの研究チームが開発した電気接続されたダイオードファイバー

Figure 1. プリフォーム構造と繊維化延伸プロセスの概要図 [1]
（論文[1]のFIgure 1より引用）

半導体ダイオードは、計算、通信、センシングなどに使用されており、我々の生活には必須な基本的な構成要素です。半導体自体を、テキスタイルグレードのファイバーに組み込むと、ファブリックの機能と機能を向上させることができます。
例えば、ファブリックベースの通信や生理学的モニタリングを含むことができます。しかし、これまでのところ、処理の課題により、熱的に引き出された繊維で高品質の半導体ダイオードを実現することはできませんでした。

MITの研究チームは、電気的に接続されたダイオードファイバーのスケーラブルな熱延伸プロセスを開発し、その研究成果をNatureに寄稿しています。
プロセスとしては、まず、導電性の銅またはタングステンワイヤが供給される中空のチャネルと一緒に、構造内部の個別のダイオードをホストするプリフォーム構造を作ります。
プリフォームが加熱されて繊維に引き込まれると、導線が電気的に接触するまでダイオードに近づき、数百のダイオードが単一の繊維内で並列に接続されます。
論文中で紹介されているように、2つのタイプのファイバー内デバイスである発光ダイオードと光検出ダイオードを実現した、と報告しています。
デバイス間の間隔が20センチメートル未満であり、光のコリメーションとファイバークラッドで設計されたレンズによる集光が実現されています。ダイオードファイバーは、洗濯機での10回の洗濯サイクルを通して性能を維持し、アパレルアプリケーションへのこのアプローチの関連性を示していると報告しています。

このアプローチの有用性を実証するために、レシーバー、エミッタファイバーを含む2つのファブリック間に、3メガヘルツの双方向光通信リンクを確立しています。また、ダイオードを使用した心拍数測定は、すべてのファブリックの生理学的状態監視システムでの実装の可能性を示しています。
本論文で示しているアプローチは、繊維を用いることで衣服が持つ機能をアップデートするための道を提供すると主張しており、繊維の「ムーアの法則」の可能性を示す、という締めくくりをしています。

[1] : Rein, M., Favrod, V. D., Hou, C., Khudiyev, T., Stolyarov, A., Cox, J., … & Fink, Y. (2018). Diode fibres for fabric-based optical communications. Nature, 560(7717), 214-218.

URL : https://www.nature.com/articles/s41586-018-0390-x#Abs1

TENGを用いた自己給電フレキシブルマイクロシステム

Figure 1. 「オールインワン」のセルフパワーマイクロシステム図
（文献[1]のFigure 7より引用）

ウェアラブル電子機器は、小型化とスマート機能の統合の傾向、および柔軟性、伸縮性、順応性などの魅力的な固有の物理的特性により、過去10年間で華々しい繁栄をしました。
ウェアラブルエレクトロニクスは、情報収集用のデバイス、またはデータ交換用のモバイル端末として、現代社会で重要な役割を果たしますが、さらに幅広いアプリケーションでは、従来の堅く持続不可能な電源の制限を克服することが本質的に必要です。
ウェアラブル電子機器の開発の魅力的な将来のビジョンは、センサー、アクチュエーター、集積回路、電源を含む、ディスクリート部​​品を統合して、自己給電の柔軟なマイクロシステムを実現することです。（図1はマイクロシステムの統合概念図）

技術的背景と解決すべき課題が新しい摩擦電気ナノ発電機（TENG）が強力で有望なアプローチでと言われています。
本レビュー論文ではTENGに関する概要から手法を簡単に紹介した後に、進歩の過程や、今までの歴史も踏まえて紹介してくれています。

接触帯電と静電誘導の組み合わせに基づいて周囲環境から機械的エネルギーを除去するTENGは、さまざまなアプリケーションの堅牢な電源であることが実証されており、セルフパワードシステムの新しい概念は、TENGによって生成された電気を利用して、システムの他の機能部分に直接電力を供給します。TENGの技術を導入することにより、「オールインワン」セルフパワードフレキシブルマイクロシステムの実現可能性を検討し、動作原理、高度な材料、TENGベースのアクティブセンサー、TENGパワードアクチュエータ、統合されたマイクロシステムの可能性について記載しています。

[1] : Zhang, X. S., Han, M., Kim, B., Bao, J. F., Brugger, J., & Zhang, H. (2018). All-in-one self-powered flexible microsystems based on triboelectric nanogenerators. Nano Energy, 47, 410-426.

URL : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285518301149#!

肌の接触によって充電できる洗濯可能な繊維ベースの摩擦電気ナノ発電機

Figure 1. 提案されているTENGの構造とSEM画像、および充電における機構の説明概要図 [1]
（論文[1]のFigure 1より引用）

摩擦電気効果を介して生体力学的エネルギーを収集できるテキスタイルは、セルフパワーのウェアラブルエレクトロニクスにとって非常に興味深く、様々な分野の研究者や事業家が注目しています。高い摩擦電気出力を備えた、順応性と耐久性のあるテキスタイルの製造は依然として困難です。

シンガポールの南洋理工大学の研究チームが、身体運動から機械的エネルギーを収集するための、肌の接触によって充電できる洗濯可能な繊維ベースの摩擦電気ナノ発電機（通称TENG）を提案し、その研究成果をNature Communicationに寄稿してます。

疎水性セルロースオレオイルエステルナノ粒子でカプセル化された黒リンは、電子トラップコーティングとして機能し、さまざまな極端な変形、激しい洗浄、および長期にわたる環境曝露に関係なく、長期的な信頼性と高い摩擦電気を備えたテキスタイルナノ発電機を実現するそうです。
わずかな力（〜5 N）と低周波（〜4 Hz）で手で触れると、かなり高い出力（〜250〜880 V、〜0.48〜1.1 µA cm-2）が得られると主張しています。
この順応性のある全テキスタイルナノ発電機は、布地や肌に組み込むことができ、肌との微妙な摩擦による60 Vの低出力をキャプチャすることができるそうで、ユーザーの動きや日常の操作に適している、と締めくくられています。

[1] : Xiong, J., Cui, P., Chen, X., Wang, J., Parida, K., Lin, M. F., & Lee, P. S. (2018). Skin-touch-actuated textile-based triboelectric nanogenerator with black phosphorus for durable biomechanical energy harvesting. Nature communications, 9(1), 1-9.

URL : https://www.nature.com/articles/s41467-018-06759-0

ナイロン人工筋肉の閉ループ温度制御

ナイロン人工筋肉繊維 [1]

ポリマー繊維で作られたコイルアクチュエータは、低コストで製造が容易なため、急速に普及しています。残念ながら、信頼性の高いリアルタイムの温度測定は、一般的なアクチュエータの繊維径が小さいために不満を抱いています。

Disney Researchの研究チームは、金属線で包まれたコイル状のポリマー繊維を使用することで、電熱加熱により筋肉を同時に駆動し、ワイヤー抵抗を介して筋肉の温度を監視する能力を実証した、と発表しています。
この簡単な方法により、これらの筋肉の便利な過熱を回避することができ、閉ループ温度制御が可能になるそうです。このプラットフォームを使用して、温度と位置のフィードバックを使用して収縮速度を改善し、総出力を増加させるさまざまな構成の冷却速度を調査するネストされたコントローラーを示します。

これらの温度測定を使用して、力と機械的出力を増加させるために、スケーリングと筋肉結束の影響も調査しました。繊維の直径を大きくすると力の出力が増加しますが、熱伝導により、繊維の直径に関係なく、単一の筋肉の可能な出力が最終的に制限されます。束ねることにより、力と出力の両方を向上させることができますが、やはり熱の考慮が束密度を制限します。驚くことではないが、これは効率的な冷却と総表面積の最大化の必要性を物語っています。

将来的に、コイル状ポリマー人工筋肉を可能にし、筋肉の過熱のリスクを排除し、最終的にロボットおよびメカトロニクス用途でのこれらの人工筋肉の使用を促進することを願っていると締めくくっています。

[1] : Haines, C. S., & Niemeyer, G. (2018, October). Closed-loop temperature control of nylon artificial muscles. In 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) (pp. 6980-6985). IEEE.

URL : https://la.disneyresearch.com/publication/closed-loop-temperature-control-of-nylon-artificial-muscles/

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