色の変化で力を可視化するウェアラブルセンサの開発~感度の限界を突破!異方性制御で力に反応するスマート素材を高感度に~

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2025-04-25 東京大学

東京大学 生産技術研究所の杉原加織准教授らの研究グループは、深圳先進技術研究院との共同研究により、力の強さを色の変化で可視化するウェアラブルセンサを開発しました。このセンサは、メカノクロミックポリマーであるポリジアセチレンの構造をナノスケールで制御し、従来の14倍の高感度を実現しています。独自に開発したナノ摩擦力/蛍光複合顕微鏡を用いて、ポリマー主鎖に垂直方向の力を加えることで、ナノスケールでの反応が連鎖する「ドミノ効果」を発見しました。この技術により、電池を使用せずに床ずれや靴底にかかる力の分布、部品間の摩擦などを容易に測定でき、健康や安全の向上に貢献することが期待されます。

色の変化で力を可視化するウェアラブルセンサの開発~感度の限界を突破!異方性制御で力に反応するスマート素材を高感度に~
色の変化で力を可視化するウェアラブルセンサ

<関連情報>

ポリジアセチレンメカノクロミズムの面内異方性を利用した高感度ウェアラブルクロミック力センサー Highly Sensitive Wearable Chromic Force Sensor Utilizing In-Plane Anisotropy in Polydiacetylene Mechanochromism

Jianlu Zheng,Jiali Chen,Massimiliano Galluzzi,Yuge Hou,and Kaori Sugihara
Nano Letters  Published: April 24, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00085

Abstract

Force sensitivity is a crucial parameter in mechanochromic materials, determining their application range and practical success. In this study, we reveal an unexplored degree of freedom─in-plane anisotropy─for significantly enhancing the force sensitivity of polydiacetylene. Utilizing our newly developed dual nanofriction force/fluorescence microscopy setup, we discovered that force sensitivity reaches its peak when external forces are applied perpendicular to the polymer backbones in-plane. This phenomenon is explained by a “domino effect”, where point loads propagate along the backbones and affect the polymer structure even hundreds of nanometers from the contact point. Leveraging this finding, we developed a highly sensitive, stretchable force sensor and demonstrated that aligning polydiacetylene crystals perpendicular to the force direction increased the sensor’s sensitivity by up to 14-fold.

医療・健康
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