[논문 리뷰] Organic Primitives: Synthesis and Design of pH-Reactive Materials using Molecular I/O for Sensing, Actuation, and Interaction

Viirj Kan, Emma Vargo외 5명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2016. 05. 04.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 39인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 색소, 바닐린, 케이터산과 같은 식품용 분자를 분자 입력/출력 장치로 사용하여 pH에 반응하는 물질을 설계하기 위한 도구상자인 Organic Primitives를 소개한다. 이러한 물질들은 pH 변화를 시각적 출력—색상, 냄새, 형태 변화—로 변환하여 환경, 화장품, 식용 및 이종 간 상호작용을 포함한 유체성, 유기계의 새로운 감지, 작동 및 인간 상호작용을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• pH 변화에 반응하는 유기적이고 유체 기반의 입력/출력 프리미티브를 도입하여 HCI 설계 영역을 확장한다.
• 색상, 냄새, 형태 변화와 같은 인간이 읽을 수 있는 출력으로 pH 신호를 변환하는 물질 시스템을 개발한다.
• 생체 적합성 있고 식품용 분자 성분을 사용하여 비디지털, 유기적 환경에서 새로운 형태의 상호작용을 가능하게 한다.
• pH에 민감한 물질 인터페이스의 功能 및 제어력을 향상시키기 위한 설계 기법을 제공한다.
• 환경 모니터링, 화장품, 식용 시스템 및 이종 간 의사소통 분야에서의 실세계 응용을 탐색한다.

제안 방법

• 색소(색상), 바닐린(냄새), 케이터산(형태 변화)을 포함한 식품용 유기 분자를 사용하여 pH에 반응하는 물질을 합성하였다.
• pH 2–10 범위에서의 변화에 반응하여 감지 가능한 변화를 유도하는 센서-액추에이터 기능을 갖춘 물질 프리미티브를 설계하였다.
• 다양한 pH 조건에서 출력 변화의 속도, 범위, 가역성과 같은 동적 반응 특성을 평가하였다.
• 물질 인터페이스 행동과 신호 정밀도를 조절하기 위한 수동적 및 계산 기반 제어 방법을 개발하였다.
• 환경 감지, 화장품 제형, 식용 인터페이스, 이종 간 의사소통의 네 가지 맥락에서 응용 프로토타입을 설계하고 테스트하였다.
• 분자 도핑과 구조적 공학을 활용하여 감도, 반응 시간, 출력 강도를 조절할 수 있는 설계 공간을 구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자 입력/출력을 어떻게 활용하여 pH 변화를 인간이 감지할 수 있는 출력으로 변환하는 유기적이고 유체 기반의 물질을 만들 수 있는가?
• RQ2 색상, 냄새, 형태 변화를 보이는 물질 프리미티브의 동적 반응 특성(속도, 범위, 가역성)은 pH 2–10 범위에서 어떻게 나타나는가?
• RQ3 pH에 민감한 물질 인터페이스의 기능 향상과 제어력을 향상시키는 데 어떤 설계 기법이 가능한가?
• RQ4 이러한 물질들은 비디지털, 유기적, 생물학적으로 호환 가능한 시스템에서 어떤 새로운 형태의 상호작용을 가능하게 하는가?
• RQ5 환경, 화장품, 식용 및 이종 간 의사소통 맥락에 pH 반응성 물질을 통합할 경우 어떤 실세계 응용이 도출되는가?

주요 결과

• 색소 기반 물질은 전체 pH 2–10 범위에서 가역적인 색상 변화를 보였으며, 각 pH 수준에서 구분 가능한 색조를 나타내어 신뢰할 수 있는 시각적 감지가 가능했다.
• 바닐린 도핑된 물질은 pH에 따라 조절 가능한 냄새 방출을 보였으며, pH에 따라 켜고 끄는 기능을 갖춘 기능적 후각 입력/출력 채널을 제공했다.
• 케이터산 기반 물질은 pH 변화에 따라 측정 가능하고 가역적인 형태 변화를 보였으며, 변화의 크기는 농도와 교차결합 정도에 따라 달라졌다.
• 모든 물질 프리미티브는 수차례의 pH 사이클을 거친 후에도 높은 가역성과 재현성을 유지하여 장기적 사용 가능성을 확인했다.
• 분자 도핑에 의해 가능해진 설계 공간 덕분에 반응 속도, 출력 강도, 신호 정밀도를 정밀하게 조절할 수 있었다.
• 응용 프로토타입은 환경 감지(물 속 pH 모니터링), 화장품 제형(색소 반응성 염료), 식용 인터페이스(식용 pH 지시약), 이종 간 의사소통(냄새 신호 사용) 분야에서의 실현 가능성을 입증했다.