大阪大学 産業科学研究所 春日貴章助教らの研究グループは、紙、天然ワックス、錫など環境に配慮した材料のみで構成された土壌含水率センサの開発に成功しました(図1a)。開発したセンサは、検出した土壌の水分量を熱として発信し、その熱をサーマルカメラを用いて撮影することで、センサの設置位置と土壌含水率を遠隔から同時に取得することが可能です(図1b)。これまで生分解性プラスチックなどを用いた環境に優しい電子材料に関する研究は数多く行われてきましたが、性能や安定性に課題があり、分解性とセンサとしての必須機能（センシング・データ発信・設置位置情報発信）を両立することが困難でした。

今回、春日貴章助教らの研究グループは、ごく単純な構造のセンサと無線給電、そしてサーマルカメラを組み合わせることで、センサ自体の分解性と必須機能を両立した新しいコンセプトのセンシングシステムを実証することに成功しました。これにより、環境に優しい、持続可能なセンサ技術の発展や、「センシングできる肥料(図1c)」などの新技術の開拓が期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Advanced Sustainable Systems」に、10月17日（火）14時（日本時間）／午前0時（米国東部時間）に公開されました。

図1. a)開発したセンサ及びセンシングシステムの概要図　b)サーマルカメラ画像　c)肥料含有センサデバイスを用いた生育試験結果

センサは温度、湿度、含水率、光など様々な環境情報をデジタル信号に変換できる、いわば現実空間とデジタル空間の窓口のような存在です。センサの設置数が増えるほど、得られる環境情報の質と量は増大します。収集した環境情報はAIや機械学習など最新の情報技術で処理され、天気予報や農業の効率化、災害対策などに活用されます。最近ではIoT（モノのインターネット）などの言葉も普通に使われていますが、センサをあらゆる場所に設置することで豊かな生活の実現を目指すトレンドは、今後も続いていきます。しかし一方で、センサの生産数、設置数が増えるほど、環境への負荷が問題となります。特に重要となるのが使用済みセンサの回収・処分の問題です。屋外環境で大量にセンサを設置した場合、その全てを回収することは容易ではありません。既存のセンサは植害を起こしやすい銅や非分解性の石油由来プラスチックを多用しており、環境中に残留した場合、様々な悪影響を引き起こします。このような背景から、近年、環境に優しい電子デバイスの開発が盛んに行われています。生分解性プラや植物繊維、たんぱく質など、生物由来の材料を用いた電子回路基板やトランジスタなどの素子が開発されています。

屋外で使用するセンサには、必須となる3機能が存在します。それは、①環境情報収集（センシング）、②センシングしたデータの発信、③設置位置情報の発信の3つです。つまり、屋外で使用可能な「環境に優しいセンサ」を作りたい場合、この3機能を環境に配慮した材料だけを用いて実現する必要があります。生分解性材料は安定性や性能に課題があることが多く、単一素子としては十分な性能でも、必須3機能と分解性を両立することは困難でした。

春日貴章助教らの研究グループでは、単純化したセンサ本体と無線給電、サーマルカメラによる画像認識を組み合わせることで、センサ本体の分解性とセンシング、データ/位置情報発信の機能を両立することに成功しました。センサ本体は木材由来の微細繊維で作られた紙基板、錫配線、カーボンヒーター、天然ワックスコーティングで構成されています(図2a)。紙基板及び天然ワックスは微生物によって分解されます。残留する錫も、銅や銀と異なり、植害を引き起こしにくい材料として知られています(図2b)。

センサは受信コイルを備えており、無線給電で電力が供給され、電力供給によりセンサに搭載されたヒーターが加熱されます。センサを設置した土壌の含水率によって受信電力が変化する設計となっており、土壌含水率が変化すると、ヒーターの温度が変化します(図3a, b)。つまり、設置した土壌が乾いているほど、ヒーターが熱くなります。そのため、センサを設置した領域をサーマルカメラで撮影すれば、熱源位置からセンサの設置位置が、熱源温度から土壌含水率が推定できます。センサを大量に地面に設置した場合でも、カメラで撮影するだけで土壌含水率の情報をマッピングすることが可能です。例えば、土壌の水分が不足している部分をすぐに発見できます(図3c)。

開発したセンサは、最終的には環境中で微生物によって大部分が分解され(図4a)、残留する成分も環境に悪影響を与えにくいものとなっています。そのため必ずしも回収の必要がなく、ばらまくように高密度に設置することが可能です。センサに肥料成分も配合しておけば、「センシングもできる肥料」のような、新たなタイプのセンサとしての応用も期待できます(図4b)。

図2. a)開発したセンサの構造　b)植害試験結果。センサに使用した錫は、銅、銀など一般的な配線材料と比べて植害を引き起こしにくい。

図3. a)開発したセンサの外観　b)土壌含水率に応じて、搭載されたヒーターの温度が変化　c)複数のセンサを用いたデモンストレーション。マッピングにより、土壌含水率が低い領域を瞬時に発見することが可能。

図4. a)ダンゴムシ等による使用済センサ分解の様子　b)回収の必要がないことを活かし、肥料成分を配合することで「センシングもできる肥料」としての応用も可能。

本研究成果により、環境に優しい、持続可能な電子産業の発展や、分解性センサを用いた新たなセンシングシステムの開発が期待されます。本成果はコンセプト実証の段階であり、実用化にはまだまだ多数の課題が存在しています。しかし、本成果で示した単純化されたセンサ設計及び複合的なセンシングシステムは、土壌含水率センサ以外の様々なセンサにも応用が可能です。人にも環境にも優しい未来の実現に向けて、より高性能な「土に還る」センサの実現・社会実装の加速が期待できます。

本研究成果は、2023年10月17日（火）14時（日本時間）／午前0時（米国東部時間）に米国科学誌「Advanced Sustainable Systems」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Wirelessly powered sensing fertilizer for precision and sustainable agriculture”
著者名：Takaaki Kasuga*, Ami Mizui, Hirotaka Koga and Masaya Nogi
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1002/adsu.202300314

なお、本研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ACT-X（JPMJAX21K3）及びCREST （JPMJCR22L3）、松籟科学技術振興財団研究助成金、JSPS 科学研究費助成事業研究（22K20592）の一環として行われました。

春日貴章助教 HP
https://tkasuga.com