电子皮肤器件和体内器件的开发通过转用现有的柔性电子技术，已经开发出了可以完成一系列操作的器件。实用化只剩下提高皮肤适应性等课题。解决措施已经看到了眉目。可穿戴设备最近的发展大趋势，在已经有数十种产品上市的眼镜型和手表型产品之后，会向更贴近体表的器件，以及可贴在皮肤上甚至体内内置型器件进化。在提高人体贴合度的同时，还在向运用人体生物信息的方向拓展用途。

　　一、重视与人体的亲和性

　　像创可贴一样贴在皮肤上的“电子皮肤”器件，或可植入体内的器件，从开始开发到现在不过3～4年，但已经出现了不少具备必要功能，能够按照设想完成工作的开发示例（图1）。

图1 目前实现的成果

　　用接触或贴在皮肤上使用的传感器。可做某种程度动作的开发示例。（b）可检测帕金森症患者手部的颤抖，能够在必要时将加热器加热并投药的传感器。安装了可变电阻式存储器（ReRAM），可保持检测数据。（d）不使用粘合剂，仅靠范德华力粘贴在皮肤上。粘贴着传感器的是开发者John Rogers本人的手臂。

　　东京大学教授樱井贵康和染谷隆夫的研究组，开发出粘贴在尿布上提醒更换的尿布传感器。已在ISSCC 2014上发表。

　　这种尿布传感器具备了电子皮肤器件使用的几乎全部基本功能。首先，半导体部分全部采用有机材料制作。可使用频率为13.56MHz的电波，通过电磁谐振式无线供电接收电力，检测有无水分并发送结果。为节省电力，还安装了可相应于通信距离调整发送信号振幅的功能。而且为防范静电放电（ESD），还配备了最大可耐受2kV的静电耐压电路。

　　与东京大学竞争开发各种电子皮肤器件的美国伊利诺伊大学（University of Illinois）教授John Rogers的研究组在实用化上领先了一步（图1（b～d））。

　　例如，该研究组率先开发出了配备RAM工作的电子皮肤器件。开发者是Rogers的共同研究者——韩国首尔大学教授Dae-Hyeong Kim的研究组。Kim通过使MIM（metal-insulator-metal）结构的电容器与Au（金）纳米颗粒结合，开发出极薄的电阻变化型RAM（ReRAM），安装在电子皮肤器件上。该器件以压力传感器等，检测道帕金森症患者手部的颤抖，在需要时向加热器布线通入高频电流，能使器件上附着的药物成分渗入皮肤。

　　Rogers本人也在2011年试制了非常薄、能像膜一样粘在皮肤上的心电/肌电传感器（图1（d））。之后，Rogers自主创办的风险企业——美国MC10公司以“BioStamp”之名，投产了由该传感器与温度传感器、紫外线传感器等组合起来的器件。具有利用13.56MHz电波的近距离无线通信标准NFC（near field communication）通信和受电的功能，据称能够用智能手机等查看数据。现在，MC10公司正在为获得美国食品和药物管理局（FDA）的认可而做各种准备，与实用化仅一步之遥。

　　当然，课题也是有的，比如如何兼顾与生物体的亲和性与成本。按照设想，BioStamp是长时间贴在皮肤上使用的，如果生物体亲和性差，就可能导致皮肤炎症等问题。MC10公司表示，“目前最长隔一周要更换一次”。

　　这样，如果BioStamp单片的价格不够低，用户很难在数月的时间单位下长期使用。目前，MC10公司尚未公开预计的价格。

　　在接触皮肤的可穿戴终端的开发上，把目光聚焦在与皮肤的贴合性及生物体亲和性的企业是NTT和东丽（图2）。二公司开发的导电布“hitoe”作为接触皮肤的电极，安装在大型运动服企业高得运的产品上，并于2014年12月上市。

图2：因重视生物体亲和性，选择有机导电性材料

　　使用安装在运动服上的可穿戴终端的服务“Runtastic for docomo”的概要（a），以及导电性布“hitoe”的开发历程（b）。开发系统的NTT表示，最初尝试的纤维是手感好的丝。因为Ag的生物体亲和性差，导电性材料从一开始就选择了PEDOT：PSS。NTT DoCoMo将从2014年12月开始提供服务。

　　NTT与东丽表示，hitoe“在开发过程中注重的是人体亲和性好、容易贴合皮肤、容易吸汗等”（NTT器件创新中心生活辅助项目主管研究员、项目负责人笠原亮一）。具体来说就是，在电极材料的选择上，因为Ag（银）“会导致细胞死亡等生物体亲和性差”，在策划之初就被排除在外。而决定使用生物体亲和性更好的导电性有机材料PEDOT：PSS*作为了开发方针（注1）。

　　*PEDOT：PSS＝均为高分子Poly（3,4-ethylenedioxythiophene）（PEDOT）与polystyrene sulfonate（PSS）组成的导电性材料。PSS是长线结构，可认为将其缠绕成线球，把PEDOT分散于其中。

　　注1）将电极用布和无线发送器连接起来的电路使用了Ag。因为有包覆，所以不接触皮肤。

　　其次注重了用线制作电极。已经开发出的使用PEDOT：PSS的导电膜为数众多，但“其本身的质地硬且光滑，不易与服装融为一体，也不紧贴皮肤”（东丽）。因此，在开发之初，想到了使用PEDOT：PSS包裹触感和生物体亲和性俱佳的丝线，制做具有导电性的线。

　　之后，因为丝的价格高、成本不划算，材料改为了PET（聚对苯二甲酸乙二酯）线。最后的课题是耐洗涤性。当初的PET线因为直径略粗，为15μm，表面积小，经过1次洗涤后，PEDOT：PSS几乎全部脱落。因此，之后换成了直径0.7μm，仅为原来约1/20的细PET纳米纤维，并采用含浸PEDOT：PSS的方法。据称，这样耐受100次家庭洗涤就有了眉目（注2）。

　　注2）耐100次洗涤是所有运动服产品的标准。“如果放入洗衣网中洗涤，耐洗次数还会增加”（东丽）。

　　PET纳米纤维是东丽以前作为不易打滑的纤维而开发的，据称呢个与皮肤的贴合性也高。东丽与NTT已经通过斑贴试验等，确认了其对皮肤的安全性（注3）。

　　注3）据称是用日本产业皮肤卫生协会规定的“河合法”确认的。

　　二、包覆心脏和脑的器件

　　现在，一直在开发电子皮肤器件等的人体电子方面，超越体育和保健用途，可用于疾病诊断等医疗用途的器件也开发得火热（图3）。设想不仅在皮肤上贴附，在某些场合下还可埋入体内，或包覆整个心脏和脑进行检测。

图3：以电位、应力和光，“追踪采访”血管和内脏

　　因此，研究人员和技术人员现在都以把人体电子擅长的柔性、大面积器件，做得比电子皮肤更薄、更轻，而且能够柔顺变形或是伸缩为目标，在进行开发（图4）。厚1μ～2μm，可随意揉搓，几乎感觉不到分量的器件接连试制出来。

图4：大面积柔性传感器的开发示例

　　这些器件很多都是应用了显示器等技术实现的。

　　其中之一的用途是可缠绕在手腕上，或是插入脑与硬膜*之间，利用光和近红外线检测血流量等数据的大面积传感器（图3（a））。传感器是高密度安装了发光元件和光敏元件的器件，可大大发挥柔性显示器技术的威力（图4（c，d））。

　　*硬膜＝是位于脑与头盖骨之间，是保护着脑的最外层膜。

　　研究人员设想用这种器件包裹整个心脏和脑，检测血流量和电位的变化。据称与使用像花插那样的电极刺入脑中的传统方法相比，这种方法对人体造成的损伤（创伤）小，有望获得高分辨率的数据。“如果用高密度安装、驱动TFT阵列的显示器技术，能实现0.5mm间隔的分辨率，就能够知道大脑新皮层的最小功能单位——单元的动态。”东京大学研究生院工学系研究科生物工程专业副教授关野正树表示。

　　利用显示器技术除了使用光、提高分辨率之外，还具有一大优势，就是能够大幅减少布线数量。

　　高密度排列电极和传感器，布线的数量一般会变得非常庞大。要为每个传感器铺设布线，则1000×1000个传感器阵列的布线数量为100万条。

　　而采用对每个像素使用TFT的有源阵列型显示器技术，东京大学工学系研究科教授染谷隆夫表示，“即便是连接100万个传感器元件的布线，伸到器件外部的布线有20条足矣。”（注4）。

　　注4）这是因为通过采用“解码器选择器”电路，1024×1024条布线用10bit×2即可表现。

　　还有看上去是电子皮肤器件，但却是使用压力、肌电、心电及脑波、光以外的信息获取生物信息的技术的开发事例。山形大学教授、有机电子研究中心（ROEL）副主任时任静士等人，正在开发通过使器件中TFT的栅极电极附着体液来检测人体的汗液、血液、唾液、尿液等体液中含有的特定分子，从而掌握身体状态和疾病征兆的技术（图5）。

图5：使利用汗液和唾液等体液检测疾病成为可能

　　山形大学时任研究室正在开发的传感器的概要如图5所示。要开发检测体液（汗液、血液、尿液、唾液等）中多种成分的技术。比方说，若检测乳酸的传感器实现，则可以实时了解跑步者乳酸值的变化。据称专门研究分子识别化学的南豪的加入，帮助研究室取得了重大成果。

　　譬如说，由唾液中硝酸离子（NO3-）的浓度可得知心理压力大小的技术。还有，由乳酸值可得知肌肉的疲劳度，由抗体的一种——免疫球蛋白G（IgG）的浓度可得知是否患有风湿病等。氨基酸的一种——半胱氨酸过剩是罹患胆结石或尿道结石及脑梗塞的先兆。血糖值高，即血液和汗液中的葡萄糖过剩则表示罹患糖尿病的风险增加。

　　不只是人体，通过检测鱼类和贝类等食品中的组胺含量，还可以掌握其鲜度。

　　三、使检查的世界大为改观

　　其实，以往的医疗和食品检查技术也能检测出这些成分。但迄今为止，仍只能根据有否变色和发光来辨别，而且耗时漫长。要以化学操作，令待检测的分子与发出荧光的标记（label）等结合后，查看是否变色（显色反应）发荧光。

　　而时任说，“使用我们的技术可以在较短的时间内，把这些成分的浓度信息作为TFT的电信号输出。我们的目标是要让所有的检测都无需标记”。比方说，NO3-的浓度“用查看显色反应的常规化学检查需要2个小时，而我们的技术只需1～2分钟即可得到结果”（时任）。

　　乳酸的检测也是如此：只要在马拉松运动员的手腕和腿上贴附可检测汗液中乳酸的传感器芯片，就可以在训练和比赛现场，知道过去无从知晓的跑动中乳酸值的变化详情。若投入实用，或将为众多运动项目的训练方式带来重大变革。

　　检测NO3-浓度、乳酸值、IgG浓度、半胱氨酸浓度、血糖值、组胺浓度等成分，作为电信号输出的方法大致相同。其原理为：（1）将会与待检特定分子使选择性结合的分子附着在晶体管的栅极电极上，并涂布汗液等体液，捕捉待检分子；（2）待检分子大多带正或负电荷，因晶体管的I-V特性会相应于带电的强度而变，从而可得知待检分子的浓度。

　　但是，待检分子不同，其选择性结合的分子也完全不同。要找出这些分子之间的特异性组合需要丰富的分子识别化学*知识。随着专业研究分子识别化学的南豪的加入，山形大学时任研究室接连取得了许多成果（图5右）。

　　*分子识别化学＝研究生物体内发生的特定分子只与其他特定分子结合的现象和原理的学科。

　　现在，“乳酸和组胺的检测灵敏度已经达到了可应用于体育和食品检查的水平”（时任）。剩下的课题据称是进一步提高响应速度、扩大灵敏度的动态范围。

　　如上所述，要使电子皮肤和体内器件广泛普及，需要迎合一次性的使用方法而大量生产。还要大幅降低单价。为此，全部器件使用印刷技术制作的全印刷方式可谓首选。

　　但截至目前，以全印刷方式制作薄、轻、柔软且动作性能高的电子电路仍非易事。多数开发品除印刷技术外，还要部分使用真空蒸镀技术注5）。如有机TFT用印刷技术制作，但为求高导电性的布线则使用了蒸镀技术的事例，或是使用可伸缩的基板和布线，但不使用有机半导体，而是使用现有的硬质IC的开发事例等。

　　注5）对部分制造工序采用真空蒸镀的开发者们的意见是，“面向医疗用途时，确保运行的可靠性比价格低廉更重要。这时就不应该拘泥于全印刷方式”。

　　在这种情况下，敢于迎难而上，选择了全印刷方式开发器件道路的是山形大学时任研究室、日本产业技术综合研究所柔性电子研究中心（FLEC），以及与FLEC关系密切的日本新一代印刷电子技术研究组合（JAPERA）*（图6）。

图6：以全印刷方式超低成本制造

　　*日本新一代印刷电子技术研究组合（JAPERA）＝以促进印刷电子技术的实用化为目的，于2011年3月成立的技术组合。截至2014年4月，共有日本产业技术综合研究所、旭化成、爱发科、出光兴产、柯尼卡美能达、住友化学、索尼、大日本印刷、DIC、NEC、松下、富士胶片等27家企业加入。

　　执着于全印刷方式是因为“要（让电子皮肤等器件）实现普及，价格便宜是非常重要的”（时任），“工艺哪怕只是部分使用蒸镀技术，总制造成本都下不来”（FLEC中心长、JAPERA的研究部长镰田俊英）。

　　JAPERA于2014年6月在国际学会“SID 2014”上宣布“已经建成“片对片”式全印刷方式生产线并投产”。生产线使用生产管理全自动进行的计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing：CIM）系统，“能够从定位开始，连续进行印刷、干燥、烧结等一连串工序”（镰田）。

　　JAPERA利用该系统在A4大小的柔性片上制作了48万个有机TFT阵列，“几乎全部正常工作，成品率也高达90％以上”（镰田）。

　　有机TFT中，半导体层使用有机半导体材料墨、电极和通孔，布线使用Ag墨，栅极绝缘层使用高纯度高分子墨制作。这“使大幅压缩制造成本看到了希望”（镰田）。

　　全印刷方式技术和柔性电子在制造上留有的课题主要有两个。一是在布线印刷工序中需要以一定温度烧结，二是两块柔性电路板和元件连接器之间的接合，不能用通常的焊接和硬质插槽的机械连接方法。

　　关于布线，JAPERA制造的A4尺寸有机TFT阵列片，实施了最高温度为180℃的烧结处理。这大大支月了基板材料的选择范围，给实现柔性和降低制造成本增加了难度。

　　“如果使用耐热性强、价格较高的树脂基板，光是基板的成本就会占到器件整体的1/2左右”（研究柔性器件的技术人员）。耐热性强的树脂基板大多柔性略差也是一个难点。

（未完待续）