多モーダルセンシングと刺激のためのスケーラブルで伸縮自在な1次元多機能ファイバー

体の声を聞く柔らかな糸

医療機器を硬いパッチやかさばる装置としてではなく、Tシャツの繊維のように体と一緒に曲がり、伸び、動く柔らかい髪の毛ほどの細さの糸として想像してみてください。本研究はそのような「電子スレッド」を紹介します—細く伸縮可能なファイバーで、身体の電気信号を感知し、神経を刺激し、衣服に縫い込めばワイヤレスで電力を供給することさえできます。これらはより快適なウェアラブル、やさしいインプラント、ほとんど目立たず日常に溶け込むスマートテキスタイルを実現する可能性があります。

平らなパッチから柔軟な糸へ

従来のバイオエレクトロニクスパッチは皮膚に貼るステッカーのように使われます。汗で剥がれやすく、蒸れを感じ、体が動くと密着を保つのに苦労することが多いのです。研究者たちは代わりに一方向性のファイバーに着目しました。細く糸状の形状は曲線や折り目、動く組織に自然に沿い、通気性があり軽量で、布に織り込んだり神経のような小さな構造に結びつけたりするのが容易です。しかし実用化は簡単ではありません。内部の導体は、長期間にわたって引き伸ばされ、曲げられ、塩分を含む体液にさらされても高い導電性を保たねばなりません。

伸縮性コアを包む液体金属

これを解決するために、チームは伸縮性プラスチックのコアの内部に液体金属の導体経路を内蔵した新しい種類のファイバーを作りました。まず薄いポリウレタン糸から始め、粘着性の層、薄い金属シード、そして銅を順に被覆します。この銅被覆されたファイバーを穏やかな酸性浴中のガリウム系液体金属の滴と出会わせると、両金属が表面で反応し融合して滑らかで連続的な液体金属の殻を形成し、ファイバーに強く密着します。導体が液体であるため、ひび割れることなく変形でき、ファイバーを2倍以上に伸ばしたりループ状にねじったりしても非常に高い導電性を維持します。

保護ジャケットとやさしい皮膚接触

裸の液体金属は汗や血液のような水性で塩分を含む環境ではすぐに腐食するため、研究者たちは薄い弾性ジャケットを追加して水分を遮断しつつ内部経路に沿った電子の流れを許しています。ファイバーの選んだ箇所だけを密封せずに残し、やわらかい炭素系導電層で覆った上に湿潤環境で安定した電気特性を持つ高分子を載せることもできます。これらの露出部は電極として機能し、液体金属を下に保持しながら皮膚や組織に直接接触します。試験では、被覆されたファイバーが激しい伸縮や長時間の塩水浸漬中でも安定した抵抗値を維持し、電極表面が電気的充放電を安全に扱えることが示されました。

電力を供給し、聞き、動かす糸

これらのファイバーは連続生産が可能で、人の髪の毛ほど細いため、標準的な織物技術で布に刺繍することができます。布製アンテナでは、液体金属コイルがワイヤレス電力を効率よく伝送し、標準的な銅線に匹敵し、金属線が断線するような何百回もの曲げサイクルにも耐えました。身体に直接装着すると、ファイバー電極は市販のゲルパッドよりも動作中や発汗時に心電や筋電をよりクリーンに記録し、通気性のおかげで快適さを保ちました。数本のファイバーを組み合わせて編むことで複数の筋電チャネルを同時に記録でき、機械学習ソフトを用いれば手のジェスチャーをほぼ完全な精度で識別できました。

神経をやさしく制御し細胞を保護する

研究者たちはラットの小さな脚神経の周りにゆるく巻き付けることで、生体内でもファイバーをテストしました。ファイバー電極を通して短い電圧パルスを送ると、動物の後肢は周波数や電圧の範囲で制御された可逆的な屈曲・伸展を示し、体液を模した塩溶液に数日浸した後でも刺激は有効でした。細胞培養実験では、ファイバーに施した神経に安全なコーティングが標準的な培養条件と比べて有意な毒性を示さず、材料は生体組織との長期接触に耐えうるやさしさを持つ可能性が示唆されました。

なぜこれらのスマート糸が重要か

日常的な観点から見ると、この研究は柔らかく伸縮する糸を、小さな一体型の配線、センサー、電極に変え、衣類に織り込んだり繊細な身体部位の上や周囲に直接配置したりできるようにします。動いたり汗をかいたり伸びたりしても導電性を保ち、初期試験では神経や筋肉と相互作用しても明らかな有害作用を引き起こさないことが示されています。快適性、耐久性、多用途性の組み合わせは、より信頼性の高い心臓モニターやジェスチャー制御デバイスから、低侵襲な神経治療に至る次世代のウェアラブルやインプラントの有望な基盤となります。

引用: Yin, J., Zhu, J., Wang, S. et al. Scalable and stretchable 1D multifunctional fibers for multimodal sensing and stimulation. Nat Commun 17, 2496 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70178-9

キーワード: 伸縮性バイオエレクトロニクス, 液体金属ファイバー, ウェアラブルセンサー, 電子繊維, 神経刺激