ペンシルベニア州立大学の科学者たちは、皮膚に直接塗布できる導電性インクを開発した。カラフルなカスタムデザインで、乾燥後は生体モニタリング用の機能的な電極に変身する。彼らはその研究を、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に発表された新しい論文で説明している。

以前報告されたように、一時的なタトゥー（e-タトゥー）を介して皮膚に貼り付ける表皮電子機器は、10年以上前から存在している。これらのe-タトゥーは接着剤なしで皮膚に接続し、ほとんど目立たず、通常は一時的なタトゥーを介して貼り付けられ、超薄型ポリマーに埋め込まれた回路素子を使って電気的測定（温度やひずみなどの他の測定も）を可能にする。しかし、曲線や毛深い表面ではうまく機能せず、生体信号は空間的に分布しているため、より広い領域をカバーするには個別化された電極配置設計が必要となる。そこで科学者たちは創造的になってきた。例えば2024年には、研究者たちが特殊なポリマーベースの導電性インクを開発し、髪の毛があっても頭皮に印刷して脳波を測定できるようにした。

ペンシルベニア州立大学の機械工学者で、新しいPNAS論文の共著者であるラリー・チェンは、EEG、ECG、EMGを含む生体モニタリング用途の電極設計に10年以上取り組んできた。金属のような硬い材料を使うと安定した生体モニターになるが、運動中など装着者が動きすぎると簡単に外れてしまう。ハイドロゲルは近年、代替材料として登場しており、水を吸収し、膨潤し、動きに合わせて皮膚と一緒に伸びることができる。しかし、ハイドロゲルはかなり急速に劣化し、長時間使用するとその利点を失う。汗や髪の毛も生体信号の記録精度を低下させる可能性がある。なぜなら、市販の電極はプレハブ加工され、その後皮膚に貼り付けられるため、空気の隙間が生じ、センサーの読み取りが弱くなるからだ。

チェンらは、この問題に対処するために導電性インクを開発することにした。彼らは、数種類の異なるポリマーと酸性添加剤を、水ベースのエタノール/ポリビニルアルコール溶液に混ぜ合わせた。PEDOT:PSS（ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)：ポリ(スチレンスルホネート)）が導電性を提供し、DBSA（4-ドデシルベンゼンスルホン酸）も可塑剤としてインクに柔軟性を与えた。チームは慈悲深くも、新しい導電性インクの略称をWE-PPDに短縮した。「インク自体はほとんどフェイスペイントのように振る舞います」とチェンは言う。「最初はほぼ透明ですが、食品着色料を使ってインクを好きな色に着色し、漫画やスーパーマンのような、思い描くデザインを描くことができます。これにより、ウェアラブルを個人の好みに完全にカスタマイズできます。」インクが皮膚の輪郭を埋めるため、結果として得られる電極は非常に高い皮膚接続性を持ち、したがってより良い信号記録が可能になる。また、多孔質の銀テクスチャに組み込まれ、硬いデバイスと統合することもできる。

塗布されたセンサーは、研究室で被験者を使ってテストされた。トレッドミルでのランニングやウェイトリフティング中の心臓活動のモニタリング、義手ロボットを制御するためのジェスチャー認識、そして共著者が日常活動を行う間の毛髪を通した脳活動（EEG）のモニタリングである。塗布された電極は、著者らによると、故障するまでに170%まで伸びることができ、標準的な医療用フィルムよりもはるかに高い水蒸気透過性を持ち、長時間使用しても皮膚刺激を引き起こさなかった。「私たちは12時間にわたる日常使用のテストを行いましたが、これがこれらの電極の限界ではありません」とチェンは言う。「電極自体は洗い流して簡単に再塗布できます。背後にある大きなアイデアは、将来的には、より高価なセンシングモジュールをシステムから分離したままにし、電極自体は使い捨てにできる可能性があるということです。インク1本で、複数の電極を塗布するのに十分な材料が得られます。」