バイオセンサー～スマートシティにおける活用事例～

情報通信技術は、ますます都市の風景の一部になっています。スマートシティはこれまで以上に効率的になり、ハイテクの進歩を利用して市民一人ひとりの生活を向上させています。この進化した技術の一部にバイオセンサーがあります。ここでは、バイオセンサーとは何か、どのように機能するのか、またスマートシティにおけるバイオセンサーの具体的な活用方法についてご紹介します。

バイオセンサーとは？

バイオセンサーは、人や動物、環境など、生物界のさまざまな側面と相互作用するデジタル技術です。バイオセンサーは、継続的にデータを収集し分析することができます。各センサーは、受信した情報を測定可能な信号に変換します。バイオセンサーにはいくつかの種類があり、携帯可能なものもあれば、据え置き型のものもあります。米国国立衛生研究所では、具体的なバイオセンサーとそのさまざまな用途について説明しています。

国連によると、2050年には3人に2人が都市部に住むようになると言われています。より多くの人々が都市部に住むようになると、さまざまな資源を監視しその品質を維持するために、バイオセンサーがますます必要になります。バイオセンサーは、食品のモニタリング、病気の検出、都市サービスの効率などを向上させることができます。また、気候変動がすでに起こっている中で、土壌や水質、湿度、温度、空気中の有害な不純物まで、あらゆるものをモニターすることで貢献します。ITUジャーナルによると、センサーは、生物学的および化学的な状態に関して水質を評価することが可能で、これにはバクテリアや重金属の検査も含まれます。

バイオセンサーの仕組み

バイオセンサーは、いくつかのレベルを含む複雑なインフラで作動します。

• 感覚レベル: 感覚レベルにはバイオセンサーが含まれ、ここで最初の知覚が行われます。センサーは、空気、水、音、光、その他の環境の側面を感知します。RFIDリーダーやタグもこのプロセスに含まれることがあります。
• ネットワークレベル: ネットワークレベルでは、センサーレベルからの情報を取得します。Bluetooth、Wi-Fi、セルラーインターネットなど、さまざまな無線技術が使われます。
• 処理レベル: 処理レベルでは、ビッグデータ分析や人工知能を使って情報を整理します。
• アプリケーションレベル: アプリケーションレベルでは、データベースサービスやAPIを通じてデータを受け渡します。一般的に、データの処理が行われるIoTシステムには、フォグ、クラウド、エッジモデルの３種類があります。

スマートシティへの応用

成長する都市を効果的に管理し、必要な機能を可能な限り安全かつ円滑に運営するためには、バイオセンサー技術の助けが必要になるでしょう。バイオセンサーには、電気的、機械的、電気化学的、熱的、光学的なものなど様々な種類があり、それぞれ異なる役割を果たします。具体的には、医療検査、衛生管理、交通監視、スマートパッケージ、環境管理などがあります。

医療検査

ヘルスケア業界は、バイオセンサーを日常的に使用する企業の一つです。血糖値測定器は、この種の技術の一例で、糖尿病患者の血糖値を測定します。遺伝子センサーは、遺伝物質の配列を検出することができます。これは遺伝子疾患を検出するための診断ツールであり、ある種のバクテリアやウイルスの中の遺伝物質を見つけることもできます。また、COVID-19ウイルスを検出できるバイオセンサーもあります。レセプターは、対象となる分析物と相互作用します。センサーの認識プロセスは、これを定量的な信号に変換します。

患者が自宅にいても、医療施設にいても、臨床医はベッドモニタリングセンサーを使って、患者の重要な情報を把握することができます。スマートメディトロニクスはセンサーの一つで、個々の患者の現在の状態や環境の変化を感知し、得られた情報を必要な医療関係者に即座に報告します。ウェアラブルバイオデバイス、摂取可能なバイオデバイス、埋め込み型のバイオデバイスも、医療業界における最新、最先端のバイオセンサーの一例です。眼鏡や衣服、皮膚に貼るパッチなどは、健康に関する情報をリアルタイムで検出するウェアラブルバイオセンサーの一種です。

衛生管理

衛生サービスを秩序立てて効率的に維持する方法は、都市の美観だけでなく、健康の維持にも不可欠です。最近の技術では、ゴミの特性を検出して、それが人間の健康にどのような影響を与えるかについてのデータを即座に収集することができるようになりました。

農薬や医薬品の消費量を定量化するバイオマーカーの開発も進んでいます。バイオセンサーは、排水から抽出された尿中の生体分子や寄生虫などの物質をモニターし、病気を検出する能力があります。バイオセンサーは、水に含まれる病気、個人に含まれる病気、さらにはトイレの使用状況などの行動を追跡するなど、あらゆる面から排水を評価、監視することができます。

交通監視

赤外線カメラは、交通事故が発生すると即座に検知し、その情報を適切な対応チームに送ることができます。このような事故への迅速な対応が、生死を分けることになるのです。フリアーシステムズのITSシリーズは、その効果を発揮する赤外線カメラです。このカメラは、従来型の監視カメラの障害となる問題とは無縁で、ヘッドライトの照り返しなどの照明条件にも影響されません。

このカメラが検知できる具体的な状況としては、交通事故だけでなく、逆走するドライバーや歩行者も検知できます。また、雨の日や霧の日、煙が出ている日、暗い日でも人や物を検知することができます。瞬時に検知することで、大きな交通渋滞が発生する前に、事故現場に救急隊を送り、適切な人員を派遣することができます。

スマートパッケージ

スマートシティでは、輸送中やスーパーマーケットの棚に並ぶ食品の安全性を保つためのパッケージが必要です。センサーネットワークは、サプライチェーン上を移動する製品の品質と安全性の向上に役立ちます。生鮮食品や湿気を帯びやすい食品は、正確な情報を適切な情報源に伝えるために、特にセンサーに依存しています。スマートパッケージングは、パッケージされた食品だけでなく、生の農産物や、医療品、化粧品などにも使われます。

環境管理

都市の健康で安全な環境を維持するためには、空気や水質、さらには土壌も重要な要素となります。スマートシティの多くは自給自足を目的としているため、限られた量の土壌や植物を最大限に活用する必要があります。植物の成長に欠かせないクロロフィルの生成には、十分な量の窒素が必要です。Hindawiによると、科学者は植物中の窒素を測定するために、バイオセンサーを利用しています。また、土壌中の汚染物質や農薬を検出するバイオセンサーも実用化されています。都市の庭園や温室でできるだけ多くの食料を栽培できるようになれば、スマートシティの自立と成功に貢献することになるでしょう。

バイオセンサーは、食品製造以外にも、都市部での空気の質の監視や維持にも利用されるようになっています。電気化学式バイオセンサーは、環境中の汚染物質を検出することができます。変換器の種類によって、スマートシティが導入するバイオセンサーは異なり、電気化学式バイオセンサー、光学式バイオセンサー、熱量測定式バイオセンサー、質量測定式バイオセンサーなどがあります。これらのデバイスは、汚染物質を検出し、屋内外の空気の質を測定することができます。

環境汚染の監視でも、食品包装の安全性の維持でも、バイオセンサーは今後も重要な役割を果たしていくでしょう。スマートシティでは、都市部の安全性と生産性を維持するために、バイオセンサーが提供する先進的な技術への依存度が高まっていくでしょう。