立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

生体と調和する無線給電型バイオセンシング素子の開発
Wirelessly Powered Biosensing Device
2171026

研究代表者

早稲田大学准教授

三宅丈雄

共同研究者

早稲田大学

教

吉増敏彦

授

せた“スマートコンタクトレンズ”の開発が[研 究 の 目 的］Google を始めとする多くの企業や大学で進ん
世界中でヒトやモノへ貼り着ける電子機器でいる。しかし，世界のコンタクトレンズ利用「ウェアラブルデバイス」の開発が進んでおり，者の約 8 割がソフトタイプを用いているのに対常時計測・治療など対象者の“今を知らせる”

し，開発が進むレンズは PDMS を始めとするあるいは“その場で治す”デバイスが求められハードタイプなのが現状である。これは，水分ている。バイオエレクトロニクスは，こうしたを 90% 以上含むソフトレンズ上へ電気回路を生体/デバイス界面での利用が期待されており，作製することが技術的に困難だからである。さ

これまでにバイオセンサを始めとする数多くのらに，IC チップなどの既存集積回路はウェッ生体計測デバイスが開発されている。ただし，ト環境に弱く，潤いのある眼装着用デバイス素その多くは生体からデバイスへの一方向の情報子には適さない。そこで，申請者は既に実用化伝達であり，かつ，その計測手法は界面電荷が進んでいる市販のソフトコンタクトレンズに，(静電容量) を用いた電子制御が主であるため，後述する申請者独自の技術を組み合わせること細胞や組織などウェット環境でイオン制御を行で，ウェット環境で駆動する無線チップや生体う生体素材には適さないのが現状であった。こセンサ内臓のウェアラブル端末“無線バイオセ

れら課題に対し，我々は，安全でかつソフトなンシングレンズ”を創出できる着想に至り，挑生体素材ないしは生体模倣材料から構成される戦したいと考えている。

新たなウェットデバイスを創出し，ヒトなどと[研究の内容、成果］“馴染む計測・治療デバイス”に挑戦している。
ウェアラブル機器の中でも特に我々は眼に装着させるコンタクトレンズに注目した。これは1．電磁誘導式無線給電システム

潤いのあるウェット環境で駆動できる IC 素子

1. 1

システム概要を開発する学術的課題と 2020 年までにおおよ

図 1 に本研究で利用するシステムの概要を示

そ 77 億ドルの市場規模が見込める社会的ニーす。眼鏡/コンタクレンズ間における無線通信ズを含むからである。コンタクトレンズの主なは，10 mm の固定距離において，両側で実装役割は，視力の低下を補うために装着する補助された RLC 並列共振回路により実現される。

レンズであるが，近年，電子デバイスを搭載さここで，共振周波数は国際規格に従い，工業・― 1 ―立石科学技術振興財団

図1(a) 無線給電システム概要，(b) 等価回路，(c) 無線型コンタクトレンズ，(d) 全体写真

医療用に割り当てられた 13.56 MHz を用いる。

して 13.56 MHz は利用可能である。もちろん，本システムにおいて，C 1，L1 は眼鏡側のキャ医療を目的とする際は，ARIB STD-21 特定小パシタンスおよびインダクタンス成分，C 2，電力無線局 (420-430, 440-450 MHz) や体内埋L 2 はコンタクレンズ側のキャパシタンスおよめ込み型医療用データ伝送システム (402-405

びインダクタンス成分である。

MHz) に合わせた周波数帯を要するが，ここ一般的に共振周波数 f は，式 (1) であらわされる。
1f=2π LC

では取り扱わない。
1. 2

電力伝送効率

今回作成した RLC 回路を図 1(b) に示す。
(1)

これらの伝送効率を評価するため，空気中および豚の眼球表面で計測したS 21 パラメータ (伝13.56 MHz に共振点が来るように，ループア送利得) を比較した。図 4 は豚の眼球表面におンテナのインダクタンス L と積層セラミックける動作確認図である。各デバイスの S パラキャパシタ C の値を調整する。13.56 MHz をメータおよび比較結果を図 5 に示す。メガネ側利用した理由は，無線システムを眼球上に配置コイルおよびコンタクトレンズ側コイル共にしても水の影響を受けない点 (波長が 22 m も13.56 MHz で共振していることがわかる。ただあるため水分子は振動しないため) と，アンテし，コンタクトレンズ側コイルは，直径が 12ナサイズを小型化できる点にある。アンテナサmm のループアンテナで一回巻であるため，反イズの小型化は，周波数を高くすることで実現

射係数が高く，ピークもブロードであった。こ

可能だが，マイクロ波帯に入ってくると水透過

れらコイルを用いた電力伝送特性は約 −7 dB性が失われるため，生体に適した周波数帯域と(20%) を 示 し た。こ れ は，メ ガ ネ 側 か ら 10― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図2(a) ブタの眼上で無線給電，(b) 各コイルにおける給電特性

mW 供給した際，コンタクトレンズ上で 2 mWの電力を受け取ることが出来ることを示す。さらに，無線型コンタクトレンズを眼球に載せても水分やブタ眼の影響をほとんど受けないこと

図 3 (a) 電着プロセス，(b) 電着前後のインピーダンス計測を確認した。
1. 3ないと結論付けることができる。

導電性高分子を利用した接着

ソフトコンタクトレンズ上へ無線回路の電着

1. 4

無線型 LED ディスプレイ応用

は，申請者らの手法 [ACS Macro let. 2012, 1,最後に，LED と本無線給電回路と組み合わ

400-403] に よ り 実 装 さ れ る。図 3 (a) は 50せることで，シングルピクセルの LED ディスmM の EDOT および 100 mM の LiClO 4水溶液

プレイに取り組んだ (図 4)。無線による給電に浸されたコンタクトレンズと金線の電解重合は AC であるため，LED を点灯させるために過程を示している。金線に電気を流すと，コンは AC/DC 変換回路が必要である。そこで，図タクトレンズに含む EDOT が金線上で電解重1(b) に示すように，ダイオードとキャパシタ合される。この PEDOT 重合は，コンタクトを組み合わせた整流回路を作製した。受信側コレンズ内部まで成長するため，重合量を多くす

ンタクトレンズで AC2Vpp を得た場合，定電ると強い結合を示す。図 1(c) に示したように，

圧は 1.7 V 程度得ることを確認した。これは，はコンタクレンズ表面に PEDOT 電解重合さLED を点灯させるのに十分な電圧であることれ，金のループアンテナとチップキャパシタががわかる。さらに，眼球で電子コンタクトレン電着された。石鹸水で洗浄しても剥がれ落ちる

ズを動作させると，眼の動きに応じて回転することはなかった。図 3(b) では，電解重合の前(図 4)。一般に，眼の回転角は，左右で ±35°，後でインピーダンス特性 (LCR 成分) が変化上下で ±25°となる。そこで，眼の動きを想定

し て い な い こ と か ら，金 線 表 面 に 付 着 し た

した際に，電力利得がどれくらい変化するか評

PEDOT が共振回路特性に大きく影響を及ぼさ価した (図 4(c))。概ね 15°までは，大きな変― 3 ―立石科学技術振興財団

図4(a-b) 眼球の回転角の概略，(c) 回転角による電力利得評価，(d) 各回転角における LED 点灯の様子化を示すことはなかったが，20°を超えてくるセンサ素子を搭載した電子レンズの開発に取りと，利得が極端に減ることを確認した。これは，組む。センシングの中でも，特に眼においては，電磁誘導方式による無線給電は，距離の 3 乗で含水率や油脂率の計測がドライアイ予防に重要変化すること，また，回転により磁場の強さであることから，これら開発にも継続して取りH が変化したことが原因と言える。

組みたいと考えている。

[今後の研究の方向，課題］[成果発表］
おかげさまで投稿論文に関しては，現在執筆中です。

本研究課題を通して，コンタクトレンズとメガネ間における無線給電の基礎から LED 点灯応用までを実現することができた。
現状は，市販のキャパシタなど手に入るサイズを利用して成果を挙げたが，眼球上にデバイスを搭載する際，如何に薄く，そして柔軟な回路を作製するかが重要となる。回路の自作も含

以下には，学会発表を記載します。
1．[招待講演] 三宅丈雄，”革新的バイオイオントロニ
クスの開発”，応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会研究会，「有機分子・バイオエレクトロニクスの最新動向と応用展開」2017 年 6月 7 日．
2．高松泰輝，杜耐珂，陈云汉，吉増敏彦，三宅丈雄，“ソフトコンタクトレンズ上への導電性高分子印刷技術および無線給電システムへの応用”，第 7 回日

め検討していきたい。一方，私の専門は無線よ本バイオマテリアル学会九州ブロック講演会，2017

りも，むしろバイオセンサであるため，今後は年 12 月 8 日．

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Tateisi Science and Technology Foundation

3．Yunhan

Chen,

Taiki

Takamatsu,Toshihiko

Yoshimasu, Takeo Miyake, “Smart soft contact lenswith wireless power transfer system at 13.56 MHz”，― 5 ―応用物理学会第 65 会春季大会，2018 年 3 月 17 日20 日．