「土に還る」循環型センサデバイス

「土に還る」循環型センサデバイス (”Return to the soil” circular sensors)

温度、湿度、土壌水分などの環境情報の収集は、農業、環境保全、都市管理など、あらゆる屋外活動の基盤です。リアル空間の情報である環境情報をサイバー空間に送信し利活用するためには、窓口である「センサ」を環境中に設置する必要があります。センサの設置数が増えるほど、得られる情報量が増え、リアル空間とサイバー空間が強力に接続された豊かな社会の実現に近づきます。しかし一方で、センサ設置数の増加は環境負荷の増加を意味します。
本プロジェクトでは、センサの高密度設置と持続可能性を両立するために、環境と調和した「土に還る」センサの実現に取り組んでいます。元々環境中に存在する植物繊維や土壌成分、天然油脂のみを使用してセンシング機能と情報発信機能を実現することができれば、落ち葉と同様に自然のサイクルでセンサを循環させる事が可能になります。既に「土に還る」湿度センサ及び土壌含水率センサの試作にも成功しており、開発したセンサは最終的にはダンゴムシなどの生物によって分解され、土に還ります。材料開発、デバイス実装からシステム運用まで、総合的な視点で循環型センサの実現に挑戦しています。

The collection of environmental information such as temperature, humidity and soil moisture are fundamental for all outdoor activities, including agriculture, environmental conservation and urban management. In order to collect environmental information, it is necessary to install sensors in the real world. The hyper-dense installation of sensors contributes to the efficiency of outdoor activities and the realization of a prosperous society. However, large numbers of sensors can cause environmental destruction
In this project, we are working to achieve “return to the soil” circular sensors, in order to achieve both high-density installation of sensors and sustainability. By using only plant fibers, soil components and natural oils that exist in the environment to achieve sensing and data transmission, it becomes possible to circulate the sensors in the natural eco-system, just like fallen leaves. We have already succeeded in developing prototypes of humidity sensors and soil moisture sensors, and the sensors we develop will eventually be degraded by creatures such as pill bugs and returned to the soil. We are taking on the challenge of developing circular sensors from a comprehensive perspective, from materials to systems.

元々、環境中には植物や土壌など様々な物質が存在しており、人類が誕生する遥か以前から循環型のシステムが構築されています。人類の関与によって環境問題が生じるのは多くの場合、元々環境中に存在しない物質を環境中に放出してしまうためです。これはセンサに関しても同様です。環境中に大量設置しても負荷が少ないセンサを実現するのであれば、元々環境中に存在する材料を、できる限り化学的な変化を伴うことなく再構築する形が最良であると確信しています。本プロジェクトでは植物が生み出した機能性ナノ繊維であるセルロースナノファイバーを活用する事で、センサとしての機能と分解性の両立に取り組んでいます。また、大量設置を活かした環境改善(例：肥料成分を含有した肥料になるセンサ)にも挑戦しています。
「土に還る」センサの実現には、経済的に2つのメリットがあります。一つ目は大量の情報収集と、収集した情報の利活用による業務効率化です。農業の効率化や災害時の安全確保など、大量設置かつ回収不要である利点を生かした活用が期待できます。二つ目は、「持続可能な大量生産・大量消費」が可能である点です。リニアエコノミーでは最終的な大量廃棄が問題となりますが、「土に還る」センサは大量生産・大量消費後は土に還り、新たな生命を育む土壌となります。

There are various substances in the environment, such as plants and soil, and a circular eco-system has been in place since long before the birth of humanity. In many cases, environmental problems arise because humans release substances that do not naturally exist in the environment (e.g. plastics). If we want to achieve truly eco-friendly sensors, we believe that the best approach is to reconstruct materials that already exist in the environment as much as possible without causing any chemical modifications. In this project, we are working to achieve both sensor functionality and biodegradability by utilizing cellulose nanofibers, which are functional nanofibers produced by plants. We are also working on environmental improvements by “Sensing Fertilizers”.
Mainly, there are two economic advantages to the realization of “return to the soil” sensors. The first is the improvement of efficiency in outdoor activities through the collection and utilization of large amounts of environmental information. It can contribute to making agriculture more efficient and ensuring safety in the event of a disaster. The second point is that it is possible to achieve “sustainable mass production and mass consumption”. In the existing linear economy, the problem is the final disposal of large quantities of waste. The circular sensors return to the soil after mass production and mass consumption, and become soil that nurtures new life.

#Material #System #Circulation

https://doi.org/10.1021/acsami.9b13886
https://doi.org/10.1002/adsu.202300314
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2019/20191205_1
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20231017_1

　「土に還る」センサの主原料は、植物繊維である「セルロースナノファイバー」です。セルロースナノファイバーとは幅 約3 nm、長さ 数百 nmの結晶性ナノ繊維であり、軽量、高強度、高耐熱、高透明といった機能性を兼ね備えていることから、持続可能な次世代ナノ材料として注目されています。セルロースナノファイバーは樹木だけでなく、草や竹、果物の搾り滓など、ほぼ全ての植物由来原料に含まれています。我々は主に日本の木材(日本スギ)を出発原料としてセルロースナノファイバーを取り出し、フィルムに成形し、センサの基板として利用しています。セルロースナノファイバーの利活用が進めば、あらゆる植物性原料及び廃棄物の価値が上がっていきます。本プロジェクトを通してセルロースナノファイバーの利点を人々に訴えることで、セルロースロースナノファイバーの産業利用、ひいては、積極的なバイオマスの利活用が進むことを期待しています。

The main component of the “return to the soil” sensors is cellulose nanofiber, which is a plant fiber. Cellulose nanofibers are crystalline nanofibers (width: 3-15 nm, length: 200-1000 nm), and they are attracting attention as a sustainable next-generation nanomaterial because they have the excellent properties such as lightweight, strong, heat-resistant and transparent. Cellulose nanofibers are found in almost all plant-derived materials, including not only trees but also grass, bamboo, and fruit pulp. We extract cellulose nanofibers from Japanese cedar wood, which is then molded into film and used as a substrate for sensors. As the utilization of cellulose nanofibers progresses, the value of plant-derived materials and waste will increase. We hope that this project will lead to the industrial use of cellulose nanofibers and the utilization of biomass.

通常、センサをはじめとする電子デバイスは長期的、安定的な動作を念頭に開発されるため、非分解性のプラスチックや銅、銀などの金属材料を主原料としています。そのため既存の電子デバイスは環境中では容易に分解されず、また、リサイクルも容易ではないため、自然のサイクル(エコシステム)から切り離された電子ゴミ(E-Waste)として社会問題となっています。本プロジェクトで提案する「土に還る」センサは既存の電子デバイスとは異なり、「一定期間で確実に分解する」ことを念頭に開発されています。分解後の残留物も土壌成分が中心であり、動植物への影響を最小限に抑えるよう配慮・設計されています。自然のエコシステムと調和した次世代型センサとして、人々にインスピレーションを与えることを目指しています。

Normally, electronic devices such as sensors are developed for long-term, stable operation, so they are made mainly from non-degradable plastics and metals such as copper and silver. As a result, existing electronic devices do not degrade easily in the environment, and they are also not easily recycled. Therefore, they have become a social problem as electronic waste (e-waste) that is disconnected from the natural ecosystem. On the other hand, the “return to the soil” sensors proposed in this project are being developed with the aim of “degrading in the environment”. The residual material after degradation is also mainly composed of soil components, and it is designed and developed with consideration to minimize the impact on animals and plants. We aim to inspire people with these next-generation sensors that are in harmony with the natural ecosystem.

本プロジェクトのコンセプトは、「センサの地産地消を実現しよう」という単純なものです。リアル空間とサイバー空間を接続する窓口であるセンサは、現代社会になくてはならない存在であり、かつ、リアル空間に大量設置する必要があります。Internet of Things (IoT)やトリリオンセンサというワードで表現される、「センサを大量に、様々な場所に設置する」というトレンドは今後も継続しますが、持続可能性と両立するためには、環境と調和したセンサが必須であると考えています。
また、持続可能なバイオマスの利活用にあたっては単なる既存製品の代替ではない「説得力がある用途(キラーアプリケーション)」の存在が重要ですが、「土に還る」センサはその有力な候補の一つだと考えています。センサに必要な様々な機能を全て実現する事は相当困難ですが、環境中には魅力的な材料が多数存在しています(例：セルロースナノファイバー)。魅力的なバイオマスの用途を増やすという意味でも、「土に還る」センサという取り組みは意味があると考えています。

　The concept of this project is simple: “Let's achieve local production for local consumption of sensors”. Sensors, which are the windows connecting the real and cyber worlds, are an essential part of modern society, and they need to be installed in large numbers in the real world. The trend of “installing large numbers of sensors in various locations” expressed by terms such as the Internet of Things (IoT) and the trillion sensors will continue in the future. We believe that sustainable sensors are essential for the realization of a sustainable future society and sustainable sensors should be made from materials that already exist in the environment. In addition, in order to accelerate the utilization of biomass, it is important to have “killer applications” that are not just a simple replacement for existing products. We believe that "return to the soil" sensors that can be installed at ultra-high density without the need for collection after use is one of the most promising candidates. Actually, it is quite difficult to achieve all the functions required of sensors by using of natural materials, however, there are many attractive materials in the environment (e.g. cellulose nanofibers). By reviewing the characteristics of biomass and promoting re-evaluation, it will be possible to realize "return to the soil" sensors.