針に糸を通す！スマートファッションを「織り込む」繊維

1990年代は香港の衣料品産業が好景気に沸いた時代でした。香港スタイルのファッションが中国で人気になると、タオ・シャオミンはオーストラリアから帰国し、東洋と西洋が出会うこのおしゃれな街に定住しました。繊維工学を専攻する彼女の最初のテーマは光ファイバーと繊維複合材料を組み合わせることであり、彼女はすぐに最前線に立つようになりました。現時点では、この仕事に携わっている人は世界中にほとんどいません。数年後、彼女は先駆的なモノグラフ「スマートファイバー生地と衣類」と「ウェアラブル電子およびフォトニックデバイスとシステム」を出版しました。彼女はその繊細な手腕で、伝統的な繊維産業にハイテクと高付加価値を融合させ、繊維産業に新たな活力を与え、繊維研究のまったく新しい分野を世界に提示しました。

2021年、スマートテキスタイルの20年以上の発展の節目に、香港理工大学（以下、「PolyU」）は、「物事を開拓し、物事を実現する」という精神に沿って、「市場」に応え、インテリジェントウェアラブルシステム研究所を設立しました。陶暁明は学部長として、これまでの数多くの材料、装置、技術、理論的成果を統合し、これを基に、学際的なシステム研究から始まるハイレベルのアプローチを採用し、人間と機械と環境の相互作用のための理想的なプラットフォームの構築に努め、インテリジェント繊維研究の新たな旅に乗り出します。

現在、物理学、化学、材料、繊維・衣服、デザイン、電子工学、機械工学、リハビリテーション医学など、さまざまな分野の200人以上のチームの共同の努力により、インテリジェントウェアラブルシステムとその応用、インテリジェントウェアラブルシステムの統合と評価、フレキシブル機能材料とフレキシブルデバイスという3つの主要な研究方向が形成されています。関連する技術と製品は、個人の保護、臨床医学、公衆衛生などの分野で広く活用できます。

▲タオ・シャオミン

タオ・シャオミン氏の見解では、新興の破壊的技術として、スマートウェアラブル技術は伝統的な衣料品や電子機器業界に大きな影響を与えるだろう。現在60代となった彼女は、新たな産業を興し、新たな人材を育成するという使命を掲げて再び出発した。有名な都、懐津から世界へと歩み出したこの女性は、今も昔も変わらず勇敢で、穏やかで、優雅だ。

「0から1へ」革新的な思考と能力を血に染み込ませる

科学研究のキャリアを振り返ると、タオ・シャオミンの不屈の精神が十分に反映されています。しかし彼女はいつも謙虚にこう言っていました。「大好きな分野で仕事を続けられる機会を得られたことはとても幸運です。この分野が成長し、より多くの人々に評価され、世界の発展に影響を与えられるのを見るのは私にとって名誉なことです。だから私は自分の方向性を変えず、この分野に専念してきました。」

1977年、中国本土で大学入試が再開された後、最初の受験生の一人として、陶暁明さんは国家経済と国民生活に密接な関係のある専攻である繊維工学を学びました。彼女が華東紡績学院（現在の東華大学）で熱心に勉強していた頃、我が国の繊維産業も急速に発展していました。 1978年から1982年までのわずか4年間で、我が国の繊維加工総量は276万トンから400万トンに増加しました。繊維産業の生産性に対する需要が非常に高かったこの時期、大学の繊維工学専攻は自然と機械工学の応用に傾き、タオ・シャオミンは機械工学の確固たる基礎を築くことができました。

大学卒業後、タオ・シャオミンさんは政府奨学金を得てオーストラリアに留学した。ニューサウスウェールズ大学の繊維科学技術学部で、彼女は繊維物理学という別の研究分野に触れました。物理学の訓練により、陶暁明の「科学の根本原理から出発する」思考法と学際的な研究モデルが培われました。タオ・シャオミンは1987年に博士号を取得した後、オーストラリア連邦科学産業研究機構ウール技術研究所、中国紡織大学、米国ドレクセル大学繊維材料研究センターで勤務しました。国内外の繊維産業の概況を理解し、中国と西洋の文化の影響を体験した後、彼女は香港に定住し、理工大学で教鞭をとりました。

当時、産業の移転に伴い、世界トップクラスの大学の繊維学科が次々と撤退していきました。繊維産業は徐々に衰退産業となっており、優秀な人材の獲得が著しく減少しています。この状況を目撃したタオ・シャオミンは、積極的に試み、探求し始めました。彼女は伝統的な繊維産業を活性化するために、いくつかの重要なプロジェクトに着手し、多数の発明特許を取得し、世界中の企業に工業生産のための10以上の発明技術特許を認可しました。中でも、開発に10年以上を要した撚糸紡績技術は、世界中の糸生産会社12社で活用されています。同社は2005年から2013年にかけて、105億香港ドル以上の価値がある新しい繊維製品と衣料品を生産した。この技術を使用して生産された生地は、優れた性能を備えているだけでなく、生産プロセス中に廃水、廃ガス、化学試薬の排出がなく、真の高効率、省エネ、環境保護を実現します。

また、陶暁明の豊富な科学研究経験は、繊維研究は既存の産業問題の解決に限定されず、「0から1」の革新的な思考と革新能力を持ち、優れた科学的分析の基礎を持ち、分野の最先端を創造しリードしなければならないことを彼に認識させました。そこで、彼女は複合材料分野での深い蓄積を基に、香港科技大学の于同喜教授と共同で多細胞繊維複合材料の概念を提唱し、設計されたさまざまな多細胞複合材料を研究し、衝撃塑性変形の力学モデルを提案しました。さらに、通信容量や中継距離が飛躍的に向上し、注目を浴びている光ファイバーを繊維複合材料と大胆に組み合わせたスマート光ファイバーファブリックの研究も行いました。そこで彼女は、勇気と革新の精神に導かれ、まだ初期段階にあったスマートテキスタイルの分野に足を踏み入れました。その後、彼女はファイバーブラッググレーティングセンサーを内蔵した多細胞織り複合材料の設計、製造、分析を行いました。フォトニックファイバーと織物の概念を初めて提案しました。 「色調整可能なナノ発光布」の先駆者。洗えるナノコーティング布電子センサーの研究開発と工業生産を初めて達成しました。世界中でスマートテキスタイルの積極的な開発を推進しました。

スマート繊維の先駆者でありリーダーであるタオ・シャオミンの最大の貢献は、繊維のような伝統的な産業と活気のあるハイテクおよび高付加価値産業を組み合わせ、基礎産業研究とさまざまな最先端技術を統合したことです。彼はスマートテキスタイルの分野で新たな高みと新たな成果を達成し、業界を新たな発展段階へと導きました。現在、ハーバード大学、マサチューセッツ工科大学、ケンブリッジ大学などの世界トップクラスの大学でスマートテキスタイルに関する研究が盛んに行われています。数人から数万人の研究者にまで成長し、多くの優秀な若者が参加し、ニッチな分野からホットな分野へと変わるのを目の当たりにしてきた60歳を超えたタオ・シャオミンさんは、「山の花が満開のとき、彼女は茂みの中で笑っている」という限りない慰めを感じている。

カーボンニュートラルの達成を支援し、エネルギー変換器の研究に注力

世界中でスマートウェアラブルシステムの研究の歴史は長くありません。スマートフォンが登場する以前、ウェアラブルデバイスはオーディオおよびビデオエンターテイメントの分野で数十年にわたる予備的な調査を経てきました。スマートフォンの登場により、その位置づけや発展の道筋が徐々に明確になっていった。現在、市場を見てみると、最も人気のあるスマートウェアラブル製品は、おそらくスマートウォッチ、ブレスレット、ヘッドフォン、メガネの 4 つのカテゴリです。これらの製品の中で最も目立つ機能は、健康モニタリングとスポーツ医学向けのアプリケーションです。市場の動向はタオ・シャオミンの考えにぴったり合致しています。スマートウェアラブルシステムに関する彼女の研究の究極の目標は、「人間をより健康に、より安全に、より便利に、そしてより強力にすること」です。

紅磡湾にある理工大学のキャンパスには、産業を象徴する赤レンガの建物が整然と点在し、理工大学の学生の実践的な精神を明確に象徴しています。インテリジェントウェアラブルシステム研究所のドアを開けると、まるでファッションデザイン研究所に足を踏み入れたかのように、シンプルな白い人間モデルが目に入ります。しかし、一般的なファッションデザイン研究所と異なるのは、ここでモデルが試着する服は、より正確に言えば、電子機器、情報、フレキシブルマシン、人工知能を統合したハイテク製品であるという点だ。たとえば、洗える電子糸や布製電子システム（フルカラー布製ディスプレイ、布製マルチチャンネルイヤピースとスピーカー、多軸ひずみ感知布、布製キーボード、回路基板など）ウェアラブル呼吸モニタリングシステムパーキンソン病患者の運動能力を向上させるスマートウェアラブルシステム。迅速な運動疲労回復システム。ニューロモルフィック視覚センサー高精度の迅速な体液検出システム。車両衝突時の人体圧力分布をリアルタイムで検知するシステム。がん患者の治療効果モニタリングおよび分析システム;ウェアラブル電源装置...これらの製品には共通の特徴があります。1つは、複数の認識および実行機能をリアルタイムで実行できることです。 2つ目は高い知能です。 3つ目は持続可能なエネルギー供給と自己修復です。 4つ目は超自然的なコミュニケーション能力です。 5つはさまざまなウェアラブル要件に適しています。

インテリジェント システムは、センサー、ドライバー、制御および通信モジュール、回路基板、電源で構成されています。継続的かつ信頼性の高い電力供給は、ウェアラブル システムの開発におけるボトルネックの 1 つです。 「現在、市場に出回っているウェアラブル製品では、充電モードが採用されていることが多いです。このモードは若者には適していますが、子供、高齢者、患者にとってはあまり信頼できるものではありません。2015年以来、私たちのチームは関連するエネルギー変換の問題に取り組んできました。長年にわたり、さまざまなエネルギー変換の原理とデバイスについて研究と調査を行ってきました。」

その中で、ウェアラブルエネルギーハーベスター - イオンゲル水分発生器は、タオ・シャオミンのコンバーター分野における最近の画期的な成果です。関連報道によると、湿式ガス発電機は「カーボンニュートラル」目標の達成や社会のグリーンエネルギーの持続可能な発展の促進、シンプルで効率的なグリーンエネルギー変換技術の発見と開発に大きな意義があり、増大する電力需要にも応えることができると指摘されている。他の駆動方法と比較して、汚染物質を生成したり有害ガスを排出したりすることなく、大気中の水分のエネルギーを利用して直接電気を生成します。しかし、現在の湿性ガス発生装置のほとんどは断続的な電気信号と低電流を出力するため、ユビキタスな水蒸気自発発電の進歩と実用化を妨げています。そのため、大規模な統合と応用を実現する上で、研究は依然としてボトルネックの時期にあります。

この限界を打ち破るために、タオ・シャオミン氏のチームは、効率的で柔軟性があり、全天候型のイオンゲル湿潤ガス発生器を開発しました。空気中の水蒸気を効率的に収集し、それを直接電気エネルギーに変換することができ、性能も優れており、幅広い気候環境（相対湿度 10% ～ 85%、温度範囲 -24 ～ 60 ℃）に適しています。香港の湿度は年間を通じて 40% から 90% の範囲であるため、湿式ガス発電機は香港や同様の地域にとって有望なグリーンエネルギー源となります。

発電材料として、イオンゲルは吸湿性と急速なイオン輸送特性を利用して、効率的な電流密度とエネルギー出力を実現します。タオ・シャオミン氏のチームが開発した湿式ガス発生装置は、0.8Vの直流電圧を1000時間以上安定して出力できるだけでなく、高い電流密度と優れた出力電力密度も生み出します。さらに重要なのは、大規模に統合して 210V の電気出力を得ることができ、計数機、エネルギーストラップ、電子インク スクリーン、LED ライト アレイなど、多くのマイクロ電子デバイスに電力を供給できることです。実践により、このゲル型湿式ガス発生器は、準備プロセスが簡単で、安価で、柔軟に統合でき、モノのインターネットや自己駆動型ウェアラブル電子システムなどの分野で幅広い応用の見通しがあることが証明されています。タオ・シャオミン氏は、この製品は3Dプリントで製造されており、まだ改良の余地が大いにあると語った。しかし、価値あることは、これが「0から1」へのもう一つの革新的なブレークスルーであるということです。まだ道のりは長いですが、技術を開発しながら科学研究も進め、理論的には良い結果を達成することができ、本当にワクワクしています。

需要志向でロマンチックな生地や保護製品を生産

タオ・シャオミン氏は、長年スマート繊維の研究に注力してきた科学者として、スマートウェアラブルシステムを研究する他の学者と比べて、より先進的なスマート材料の探求に注力するだけでなく、マイクロエレクトロニクスチップと繊維の統合にも同等の注意を払っています。彼女は、統合された繊維電子機能はより包括的で、より安定し、制御可能になり、インターネットに直接接続することもできると指摘した。このようにして、最初に材料を開発し、次に生地を作り、最後に生地を電子機器やデータ処理コレクターと一致させる方法を見つけるという複雑な手順が省略されます。 「過去10年間、いくつかの海外研究機関がこの分野で研究を行ってきましたが、結果は満足のいくものではありませんでした。このような背景から、私たちはこの重要な任務を引き受けました。」

チップは非常に小さく、髪の毛ほどの細さです。マイクロエレクトロニクスチップを織物に組み込むために、タオ・シャオミン氏のチームは既存のマイクロエレクトロニクス包装および繊維産業設備を改造し、電子繊維のワンストッププロセスルート、パラメータ、材料を最適化し、最終的に電子糸を開発しました。電子糸は直径が1mm未満で、曲げ剛性は従来の1次元銅線回路の20分の1から30分の1です。つまり、この基盤で作られたチップファブリックは、硬い電子機器ではないかのように、非常に柔らかい感触になります。さらに、何度も洗ったり、熱湯で煮たり、海水に浸したり、氷の中に置いたり、曲げたりしても耐えられ、性能が非常に安定しています。その後、繊維電子システムの開発では、LED チップを使用して電子糸やフルカラー繊維ディスプレイを製造しました。卯年の旧正月が到来すると、タオ・シャオミンのチームはウサギのアニメーションを表示するフルカラーの布を制作しました。ホワイトバレンタインデーの前夜には、ハートのアニメーションを表示するフルカラーの生地を発売しました。テクノロジーと芸術と文化の衝突が、異なる種類のロマンスを生み出しました。

好奇心と社会的ニーズはイノベーションとブレークスルーの原動力です

2014年、国内企業が発酵法で生産した高分子材料を開発し、中国科学院や理工大学の専門家数名を招いて共同研究を行い、繊維や織物への応用が可能かどうかを探った。 「最初の繊維サンプルが送られてきたとき、繊維の性能に多くの欠陥がありました。しかし興味深いことに、実際には優れた広範囲の抗菌特性があることがわかりました。しかし、2番目のサンプルが送られてきた後、この抗菌特性は再び消えてしまいました。」好奇心に導かれ、タオ・シャオミン氏はチームを率いて2バッチのサンプルの抽出、抽出、化学分析研究を実施し、有効成分がバイオベースの分解性ポリヒドロキシ酪酸（PHBO）オリゴマーであることを初めて発見しました。 「私たちは研究室で同様のサンプルを合成し、その抗菌効果、メカニズム、最小阻害濃度を決定しました。」

これを基に、陶暁明と彼の協力者は、レオロジー改質、反応混合、溶融紡糸調製法を通じて、後に「Hesu Fiber」と名付けられた抗菌繊維を工業的に生産し、品質管理方法と実験室を確立し、安定した信頼性の高い抗菌効果を持つ繊維生産を実現しました。 Hesu 繊維は天然、無添加、環境に優しく、抗菌性があります。有害な細菌の細胞壁を破壊し、細菌を抑制・殺すことができ、抗菌剤の添加に頼る従来の方法を覆して優れた抗菌効果を実現します。タオ・シャオミンは、和蘇繊維を原料として、関連企業と協力して、繊維衣料、家庭用繊維製品、母子用品、化粧品、衛生用品など一連の新しい抗菌製品を開発し、国境を越えて複数の分野を統合し、あらゆる面で人々の健康を守っています。

2020年の初め、タオ・シャオミン氏のチームは実験で、バイオベースの分解性ポリヒドロキシ酪酸が優れた抗菌性を持つだけでなく、優れたウイルス消毒特性も持っていることをさらに発見しました。新型コロナウイルスや各種インフルエンザウイルスに対する抗ウイルス活性率は20分で99.99％に達した。 「誰もがすぐに、この伝染病の困難を克服し、この抗ウイルス特性を利用して伝染病との戦いに役立つ何かをしようと決心した。」新型コロナウイルス感染症の特別な時期に、この新たな発見は大きな意義を持っていました。これを基に生産されたHesu 75%アルコールワイプ、Hesu抗菌マスク、Hesu抗菌防護服などの防疫製品は、国内需要を満たすだけでなく、積極的に海外需要にもつながり、世界的な防疫活動に貢献しています。

▲タオ・シャオミン（後列右から4人目）と生徒たち

これを基に、タオ・シャオミン氏のチームはさらなる調製と特性評価の研究を行い、バイオベースの分解性ポリヒドロキシ酪酸と同じファミリーのポリヒドロキシアルカン酸オリゴマーとその誘導体も、優れた広範囲の抗菌・抗ウイルス機能を持つことを発見しました。また、生物毒性が低く、アレルギーがなく、汚染がなく（分解生成物は水と二酸化炭素）、炭素排出量も少ないため、他の抗菌・抗ウイルス素材よりも優れています。この一連の研究開発の成果は、新しいグリーン抗菌・抗ウイルス材料の工業生産と応用の時代を切り開きました。現在、両テクノロジー企業はこの科学研究の成果を応用し、合成ポリヒドロキシアルカン酸オリゴマー抗菌・抗ウイルス素材の量産・販売を行っており、繊維、織物、衣料、コーティング業界への幅広い応用に向けて動いています。

使命を念頭に置き、科学研究、教育、産業の反復

これらの成果の達成は、陶暁明氏が週に6日半から7日間働き、教育と研究の最前線で何十年も懸命に努力してきたことと切り離すことはできません。 2022年、タオ・シャオミンの大学院の指導教員が残念ながら亡くなりました。 90歳近い繊維物理学の巨匠について語る彼女は、感極まった様子だった。 「彼は生徒を教えているときに演壇から落ち、3日後に亡くなりました。私の指導者は私に多大な影響を与えてくれました。私は彼の決して諦めず、決して戦いをやめない精神を常に尊敬しています。」教師として、私は学問が世代から世代へと受け継がれ、革新され、優れた人材が育成され、産業の発展が促進され、学術上の問題に挑戦できることを願っています。これはメンターにも当てはまり、タオ・シャオミンにも当てはまります。しかし、彼女はこれが1世代か2世代、あるいは3年から5年で達成できるものではないことをよく知っていました。

「学校は人材を育成する場所です。エンジニア、ハイテク人材、公務員、起業家を育成する必要があります。私の理念は、人材がそれぞれの分野で最高の成果を上げ、健康で幸せな生活を送れるようにすることです。何千人もの人々が一枚板の橋に押し寄せることを私は支持しません。そのような生活は単調で、困難で、つらいものです。」人々を教育するという啓蒙的な理念の下、陶暁明の弟子たちは各界に広がり、産業界、学界、政治界、さらには芸術界との交流の架け橋を築き、スマート繊維のさらなる発展を促進しています。 「別の観点から見ると、ある分野がうまく発展したいのであれば、発展し続けるためには一流の人材が必要です。振り返ってみると、産業化や生産高について話す必要はありますが、結局のところ、産業レベルが低いときは、大学が企業の利益獲得を支援することは良いことです。」しかし、根本的には、タオ・シャオミンは大学の使命は将来の人材を育成することであると信じており、学生たちがゼロからスタートする勇気と忍耐力を養うことに大きな注意を払っており、彼らに革新のための十分な機会とプラットフォームを与えています。

今後、タオ・シャオミンは、インテリジェント・テキスタイル・ウェアラブル・システム研究所を頼りに、スポーツ健康、メタバース、人工知能などのウェアラブル・システムの研究に注力していきます。 「全体的なニーズから出発して、既存の技術、材料、科学に基づいて新しい分野に進出します。」タオ・シャオミンは長年第一線で働いてきたため、繊維ベースの電子機器の開発と技術の詳細について非常によく知っています。彼女は約 30 年にわたり、使命を念頭に置き、チームを率いて 5 年ごとにレビューと概要調査を実施してきました。その過程では、チームのプロジェクトに注力するだけでなく、関連する学術界や産業界の発展を促進し、学際的なコミュニケーションのための人材を育成する方法についても考えていきます。

いつ辞めるつもりかと聞かれると、タオ・シャオミンは笑顔でこう答えた。「今のところ、私はまだとてもエネルギッシュで、アイデアもたくさんあると感じています。若い頃と比べて、プロジェクトに対する判断力も強くなり、トレンドに対する感覚も鋭くなりました。学校、業界、政府からのサポートも安定していますから、続けてみてもいいのではないでしょうか。もしある日本当にアイデアが尽きてしまったら、なぜ自分のポジションに留まり、他の人に引き継がせないのでしょうか？」この賢明で優雅、そして聡明な繊維専門家は、自分の職業に対して並外れた自信と熱意を持ち、また称賛に値する率直さと誠実さも持っています。数十年前は、絹、サテン、紡績、染色、織りでした。今は複合材料と電子チップです。一見無関係に思えるこれらの出来事が、彼女の人生の中で奇跡的に出会う。彼女は片手で細い織物の繊維を引っ張り、もう一方の手で硬い電子機器を操作します。まるで過去と現在が相互作用し、柔らかさと硬さが組み合わさっているかのようです。今日でも、香港島の静かな一角で、このような興味深い衝突が起こり、世代から世代へと受け継がれています。

専門家プロフィール

タオ・シャオミンは、香港理工大学の繊維技術学科教授であり、インテリジェントウェアラブルシステム研究所の所長です。 1982年、中国の華東紡織学院（現・東華大学）で繊維工学の学士号を取得。文部省選抜海外留学で博士号取得。 1987年にオーストラリアのニューサウスウェールズ大学で繊維物理学の博士号を取得。主な研究分野は、スマート繊維材料、光電子デバイスとシステム、高度な繊維製造技術です。彼は 900 本以上の学術論文と 7 冊の学術論文を出版しています。同社は47件の発明特許を取得しており、そのうち10件以上はライセンスを通じて多くの国のメーカーに採用されています。中国工程院より光華工程技術賞、アメリカ繊維学会より創立者賞、国際繊維学会より名誉フェロー賞を受賞。彼はかつて国際繊維協会の世界会長を務めていた。