[論文レビュー] Organic Primitives: Synthesis and Design of pH-Reactive Materials using Molecular I/O for Sensing, Actuation, and Interaction

Viirj Kan, Emma Vargo+5 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|May 4, 2016

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 39被引用数 30

ひとこと要約

本論文では、アントシアニン、バニリン、キトサンなどの食品グレードの分子を分子I/Oとして用いることで、pHに反応する材料を設計するためのツールボックス「オーガニックプリミティブ」を紹介する。これらの材料はpHの変化を目に見える出力—色、におい、形状の変化—に変換し、環境、化粧品、食品、種間の文脈を含む、液体的で有機的なシステムにおける新しいセンシング、作動、人間とのインタラクションを可能にする。

ABSTRACT

In this paper we present Organic Primitives, an enabling toolbox that expands upon the library of input-output devices in HCI and facilitates the design of interactions with organic, fluid-based systems. We formulated color, odor and shape changing material primitives which act as sensor-actuators that convert pH signals into human-readable outputs. Food-grade organic molecules anthocyanin, vanillin, and chitosan were employed as dopants to synthesize materials which output a spectrum of colors, degrees of shape deformation, and switch between odorous and non-odorous states. We evaluated the individual output properties of our sensor-actuators to assess the rate, range, and reversibility of the changes as a function of pH 2-10. We present a design space with techniques for enhancing the functionality of the material primitives, and offer passive and computational methods for controlling the material interfaces. Finally, we explore applications enabled by Organic Primitives under four contexts: environmental, cosmetic, edible, and interspecies.

研究の動機と目的

• pH変化に応じて反応する有機的で液体ベースの入出力プリミティブを導入することで、HCIのデザイン領域を拡張すること。
• 色、におい、形状変形といった人間が読み取り可能な出力にpH信号を変換する材料システムを開発すること。
• 生体適合性で食品グレードの分子成分を用いることで、非デジタルで有機的な環境における新しい形のインタラクションを可能にすること。
• pH反応性材料インターフェースの機能性と制御性を向上させるためのデザイン技術を提供すること。
• 環境モニタリング、化粧品、食品システム、種間コミュニケーションの分野における実世界の応用を探索すること。

提案手法

• アントシアニン（色）、バニリン（におい）、キトサン（形状変形）を用いて、食品グレードの有機分子で構成されるpHに反応する材料を合成した。
• pH 2～10の範囲で変化するpHに応じた目に見える変化を示すセンサーアクチュエータとして機能する材料プリミティブを設計した。
• pH条件を変化させた際の出力変化の動的特性、すなわち反応速度、変動範囲、可逆性を評価した。
• 材料インターフェースの挙動と信号の忠実度を調整するためのパassiveおよび計算的制御手法を開発した。
• 環境センシング、化粧品配合、食品インターフェース、種間コミュニケーションの4つの文脈において、アプリケーションプロトタイプを設計・テストした。
• 分子ドーピングと構造工学を用いた技術により、感度、応答時間、出力強度を調整可能なデザインスペースを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子I/Oを用いて、pHの変化を人間が感知可能な出力（色、におい、形状変化）に変換する有機的で液体ベースの材料をどのように設計できるか？
• RQ2 pH 2～10の範囲で、色、におい、形状変化を示す材料プリミティブの動的特性（反応速度、変動範囲、可逆性）は何か？
• RQ3 pH反応性材料インターフェースの機能性と制御性を向上させるために、どのようなデザイン技術が有効か？
• RQ4 これらの材料は、非デジタルで有機的かつ生物学的に適合性のあるシステムにおいて、どのような新しい形のインタラクションを可能にするか？
• RQ5 環境、化粧品、食品、種間コミュニケーションの文脈にpH反応性材料を統合した場合、どのような実世界の応用が生まれるか？

主な発見

• アントシアニンを含む材料は、pH 2～10の全範囲で可逆的な色の変化を示し、異なるpHで明確に異なる色相を示した。これにより、信頼性の高い視覚的センシングが可能になった。
• バニリンをドーピングした材料は、pHによってオン・オフが切り替えられる調節可能なにおい放出を示し、機能的な嗅覚I/Oチャネルを実現した。
• キトサンを含む材料は、pHの変化に応じて測定可能で可逆的な形状変形を示した。変形の大きさは濃度と架橋度に依存した。
• すべての材料プリミティブが、複数回のpHサイクルにおいても高い可逆性と再現性を示し、長期的な使用可能性が確認された。
• 分子ドーピングによって得られるデザインスペースにより、応答速度、出力強度、信号忠実度の精密な調整が可能になった。
• アプリケーションプロトタイプは、水中のpHモニタリング（環境センシング）、pHに応じた着色剤（化粧品配合）、食用pHインジケーター（食品インターフェース）、においのシグナルを用いた種間コミュニケーション（interspecies communication）の実現可能性を示した。