極寒環境におけるウェアラブルセンサーの信頼性が向上することが期待されており、これは新しいセルロースベースの水ゲルのおかげです。この材料は、-13°F（約-25°C）に7日間さらされた後でも運動を検出し続けることができます。研究者たちは、綿のパルプセルロースを使用してこの柔軟な材料を開発し、豊富な再生可能材料を導電性水ゲルに変換しました。この方法は、従来の水ゲルセンサーの基本的な問題を解決することを目的としています：水が凍結し、材料が硬くなり、イオン信号を運ぶ能力が低下する可能性があります。研究チームは、セルロースを溶解するために塩化亜鉛と臭化リチウムの混合物を使用し、この組み合わせはセルロースの密に詰まった結晶構造を破壊し、生成された分子鎖を損傷から保護します。
溶解した材料は、その後HZ0.3L0.7-C3と呼ばれる透明な水ゲルを形成します。最終的な材料は、導電性、機械的強度、および耐凍性を兼ね備えています。
新型セルロースベースの水ゲルが低温環境で優れた性能を発揮
研究者たちは、この材料のイオン導電率が4.48 S/mであり、圧縮応力下で2.48 MPaに達することを測定しました。-112°F（約-80°C）から68°F（約20°C）までのテストでは、水の結晶化に関連する発熱ピークが現れず、これは水ゲル内の氷の形成が抑制されていることを示しています。さらに最適化された材料をテストするために、研究チームはそれをより長時間の低温テストに置きました。-13°Fで168時間保持した後、この水ゲルは指の曲げや指先の圧力などの動きに対しても繰り返し電気信号を生成し続けることができました。
この性能はウェアラブル電子機器にとって重要です。なぜなら、これらの製品は屋外や冷蔵環境、またはその他の状況で動作する必要があるからです。一方、従来の水分を多く含む水ゲルは柔軟性と導電性を失う可能性があります。
さらに、この材料は剪断希釈挙動を示し、圧力下で流動でき、印刷後に形状を保持します。これにより、研究者たちは3Dプリント材料として使用し、五角星やカエデの葉などの構造を作成することができました。人体に直接応用するために、研究チームは皮膚適合性を向上させるためにポリドーパミンコーティングを追加しました。この水ゲルで作られたセンサーは、指、手首、肘、喉に取り付けて運動や圧力を検出できます。
このウェアラブルセンサーの応答時間は約100ミリ秒、回復時間は約300ミリ秒であり、30%のひずみ下で500回の圧縮サイクルに安定して耐えることができます。研究者たちは、手の動きを検出し、それをロボットモデル上の対応する動きに変換するデータグローブシステムでこの材料を示しました。これにより、人間と機械のインターフェースの可能な応用が示されます。なぜなら、これらのセンサーは繰り返し変形を処理しながら柔軟性を維持する必要があるからです。セルロースベースの材料は再生可能な特性を与え、塩基配合は伝導性ポリマーに依存せずに電気信号伝達に必要なイオンを提供します。
研究者たちは、この研究がウェアラブルセンサーのカスタマイズの道を開く可能性があり、低温環境で機能を維持することができるかもしれないと述べています。しかし、この材料は現在も研究とプロトタイプの段階にあり、商業展開にはさらなるテストが必要です。