AgNWs材料を用いたモーションセンサーの作製とスポーツ活動における性能解析

日常の動きを支えるスマート包帯

トレーニングやリハビリ、ジョギング中に、肌に貼る柔軟なシールが筋肉の発火や関節の動きを静かに追跡すると想像してみてください。本研究は、実際の運動中に第二の皮膚のように機能するモーションセンサーを提示します。材料とその組み合わせ方を再考することで、伸縮性があり耐久性の高い「電子包帯」を開発し、スポーツ中でも安定した高品質な筋活動信号を読み取れるようにしました。

より良いモーションセンサーが重要な理由

トレーニングや健康モニタリングがデータ駆動になるにつれて、コーチや医師は身体の動きをリアルタイムで正確に知りたがっています。既存の多くのフレキシブルセンサーは実践的な活動環境で問題を抱えます：信号がドリフトしたり、急速な動きに反応が遅れたり、有用な情報が電気的ノイズに埋もれやすかったりします。本論文はこれらの弱点をターゲットにしています。著者らは医療機器でもよく使われる柔らかいゴム状のシリコーン、ポリジメチルシロキサン（PDMS）に着目し、極薄の銀ナノワイヤを電気の微小な経路として組み合わせました。目標は、身体とともに伸びながらも特に動的なスポーツ動作中に測定を鋭く信頼できるものにすることでした。

伸びる電気ネットワークの構築

設計の中心には、柔軟なPDMS内部に閉じ込められた三次元の銀ナノワイヤネットワークがあります。これらのナノワイヤを均一に広げ、柔らかい材料にしっかりと定着させるのは難しく、凝集したり滑ったりすると電気信号が不安定になります。研究チームはまずナノワイヤをジメチルシリコーンオイルに混ぜ、超音波を用いて凝集を解消しました。その予混合懸濁液を未硬化のPDMSに混ぜ込み、鋳型に流し入れて穏やかに乾燥・加熱してシリコーンを架橋させて弾性体を得ます。この過程で銀ナノワイヤは硬化したPDMS内に相互接続した網目を形成し、電流が流れる多くの重なり合う接点を作ります。ストリップが伸びるとこの網は変形し、電流の通りやすさが変わるため、ひずみを検知できます。

ラボのレシピからウェアラブルデバイスへ

この感度の高いストリップを実用的なモーションセンサーに仕立てるため、著者らは複数の製造工程を組み合わせました。スピンコーティングで薄く均一な導電膜を作り、スクリーン印刷でコンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアで設計したパターンの銀電極を付加しました。同じ設計ツールでセンサー回路の幅や曲率を調整し、皮膚に心地よく密着してクリーンな信号を拾うようにしました。完成したデバイスは引張試験機で繰り返し伸張される一方、機器で抵抗変化が測定されました。センサーは主要な筋肉上の皮膚にも装着され、専門の生体電気記録システムで安静時と運動時の筋電活動が記録されました。信号処理法を適用して背景ノイズから意味のある筋信号を分離し、信号対雑音比（SNR）を算出しました。

スポーツでの実地試験

新しいPDMSベースのセンサーは、セルロースナノファイバー（CNF）とポリエチレンテレフタレート（PET）という二つの他の一般的なフレキシブル基板で作られたバージョンと比較されました。3,000回の伸縮サイクルにわたり、PDMSセンサーの抵抗変動は5％未満で、CNFやPETに見られたより大きなドリフトや疲労の兆候より遥かに小さかったです。最大60％のひずみまでの伸張試験では、PDMSセンサーはCNFベースのものより概ね2倍速く応答し、PETよりも明らかに速く反応しました。研究者が0.5〜2ヘルツの典型的な人体運動周波数を模倣したとき、PDMSセンサーは安定を保ち、自然な四肢の動きに一致する0.5〜1.5ヘルツ帯域で強い信号を生み出しました。ボランティアが腕や脚にセンサーを装着して行ったバスケットボールドリルでは、デバイスは一貫して平均約25デシベルの信号対雑音比を示し、有用な情報がバックグラウンドの電気的雑音を大きく上回ることを示しました。

トレーニングと健康管理への含意

簡潔に言えば、本研究は柔らかなシリコーンバンド内に微小な銀線を慎重に配置することで、身体とともに伸びながらも読み取りが著しく安定したモーションセンサーを作れることを示しています。より硬いまたは脆い材料で作られた類似デバイスと比べて、PDMSベースのセンサーは耐久性が高く、応答が速く、現実的なスポーツ活動中によりクリーンな信号を提供します。長期的な装着感や温度の影響、より極端な動作での利用など解決すべき課題は残りますが、本研究は競技場や診療所、あるいは家庭でも研究室レベルの精度で筋活動や関節の動きを追跡できる将来のウェアラブルパッチへの道を示しています。

引用: Wang, H. Preparation of motion sensor using AgNWs material and performance analysis in sports activities. Sci Rep 16, 13045 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42806-3

キーワード: ウェアラブルモーションセンサー, 銀ナノワイヤ, フレキシブルエレクトロニクス, スポーツパフォーマンスモニタリング, 筋電図