スタンプのような柔軟な表面にスクリーン印刷された2つの柔軟なセンサーを追加することで、イヤホンが脳の電気的活動や体内の乳酸レベルを記録するツールに変身する。
センサーはイヤホンと通信することができ、集められたデータはワイヤレスで送信され、スマートフォンやラップトップで視覚化され、さらに分析される。
このデータは、長期的な健康モニタリングや長期的な神経変性状態の検出に利用できる。
カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアで構成される学際的な研究チームによって開発されたこのセンサーは、脳の電気的活動や体内の汗の分泌を感知するために現在使用されている最先端の装置よりも、はるかに扱いにくいものである。
研究者たちは、この装置を運動中の実世界で使用できることを示した。
いくつかの生理学的パラメータを耳元でセンシングすることは新しいことではないが、脳と身体の信号を単一のプラットフォームでセンシングすることは新しいことである。
この画期的な技術は、生物医学、化学、電気、ナノエンジニアの専門知識を結集することで可能となった。
脳の電気的活動を測定する脳波（EEG）と、運動中や通常の代謝活動中に体内で生成される有機酸である汗の乳酸からのデータは、さまざまな目的のために組み合わせることができる。
例えば、てんかん発作を含むさまざまなタイプの発作の診断に用いることができる。
また、運動中の努力のモニタリングや、ストレスや集中力のレベルのモニタリングにも使用できる。
研究者らは、この概念実証研究で収集したデータを、市販のドライコンタクトEEGヘッドセットや乳酸含有血液サンプルから得られたデータと比較検証した。
フレキシブルセンサーが収集したデータも同様に有効であった。
研究チームは、『Nature Biomedical Engineering』誌2023年10月号の表紙に掲載された論文で、この研究成果を紹介している。
研究者らは、神経イメージングや健康モニタリングシステムが、携帯電話、イヤホン、腕時計などのウェアラブルセンサーやモバイル機器と連携して、脳の活動や多くの健康関連代謝物のレベルを一日中追跡するようになる未来を予測している。
これにより、ユーザーは脳と身体の能力を高めることができるだろう。
研究チームはまた、イヤホンなど既存のウェアラブル・オーディオ・デバイスの機能を大幅に拡張し、より幅広いデータを収集できるようになる未来も描いている。
UCサンディエゴのシュウ・チエン・ジーンレイ・バイオエンジニアリング学部のゲルト・コーウェンバーグス教授は、「脳の認知活動と身体の代謝状態のダイナミクスを、ユーザーの快適さと移動性を妨げない1つのイヤホン一体型デバイスで測定できることは、いつでもどこでも、あらゆる年齢の人々の健康とウェルネスを促進するための大きな可能性を開くものです。」と語った。
なぜイヤホンなのか？
研究チームは、どこにでもあるイヤホンの装着が、ウェルネスと健康の両方のために、脳と身体の信号を便利に収集するための未開発の可能性につながると考えた。
カリフォルニア大学サンディエゴ校電気・コンピューター工学科のパトリック・メルシエ教授は、「イヤホンは何十年も前から存在しており、多くの意味で、市場に出回った最初のウェアラブルデバイスの一つでした。」と述べます。
「この研究は、人々がすでに日常的に使用しているイヤホンの機能を拡張するだけで、人体から衝撃的なデータを測定できることを示す重要な第一歩を踏み出しました。この技術を使うのに大きな摩擦はないので、最終的には広く普及することが予想されます。」
耳には汗腺があり、脳に近いと、論文の共同筆頭著者であり、カウエンバーグスの研究室の博士研究員であるユチェン・シューは言う。
「耳は自然な入り口です。人々はイヤホンをすることに慣れています。」
センサーの構築
カリフォルニア大学サンディエゴ校のウェアラブル・センサ・センターでは、生物工学のカウウェンバーグス教授が、伸縮自在で柔軟性のある高性能化学センサの設計・製造に豊富な経験を持つナノ工学のジョセフ・ワン教授とシェン・シュー教授と共同研究を行った。
また、ジェイコブス・スクール電気・コンピューター工学科のパトリック・メルシエ教授も、低消費電力のバイオメディカル・エレクトロニクスとワイヤレス・システムに関する豊富な経験をこのプロジェクトに役立てた。
「この画期的な成果を達成できた理由のひとつは、統合について真剣に考えたことです」と、ナノ工学のジョセフ・ワン教授の研究グループの博士課程卒業生で、論文の共同筆頭著者であるエルネスト・デ・ラ・パスは語ります。
「微小な汗のサンプルを採取するために、センサーをできるだけ小さくしたかったのです。また、曲げることができる部品を統合することで、耳の不規則な形状も考慮しました。」
インイヤーセンサーを作る最初のステップは、脳波と乳酸値のデータが得られることを確認することであった。
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