Emergence of plant based smart machine installing Mimosa pudica

• Project Area: Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
• Project/Area Number: 19H05338
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 田中 陽 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (40532271)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2019: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: オジギソウ / 生物機能利用 / スマートデバイス / 発電 / ダイナミクス / マイクロデバイス / ロボット / 情報伝達

Outline of Research at the Start

電力に依拠した既存の機械システムに代わる、クリーンで安全かつ高効率なデバイスとしてこれまで代表者は、化学エネルギーのみで多彩で高効率な生物機能に着目し、これと人工物を融合した新機能デバイスを開発してきたが、動物の複雑な組織切片の機能維持やデバイス搭載は難しく、倫理的問題もあった。そこで、本研究では、切片の生育が容易で倫理的な問題も少ない植物であるオジギソウの機械・光・熱刺激等によるマルチセンシング・情報伝達・運動機能に着目し、それらのデバイス集積化による流体制御デバイス・ロボット・発電機といったスマート(多機能)デバイスを創成する。

Outline of Annual Research Achievements

化石燃料やその産物としての電力に依拠した既存の機械システムに代わる、クリーンで安全かつ高効率なデバイス開発は現代諸分野が抱える共通課題である。その解決策としてこれまで代表者は、化学エネルギーのみで多彩で高効率な機能を発現でき、材料は自然に還元される生物機能に着目し、これと人工物を融合した新機能デバイスを開発してきたが、神経や血管等も含む動物の複雑な組織切片の機能維持やデバイス搭載は難しく、倫理的問題もあり、単発機能実証に留まっていた。そこで、本研究では、切片の生育が容易で倫理的な問題も少ない植物であるオジギソウの機械・光・熱刺激等によるマルチセンシング・情報伝達・運動機能に着目し、それらのデバイス集積化による流体制御デバイス・ロボット・発電機といったスマート(多機能)デバイスを創成する。
当該年度は、前年度までに調査した、オジギソウの基本特性としての発生力の測定やそのサイクル時間、また枝だけ切り離した場合のプロパティ計測結果などをもとに、実際のデバイスを設計試作した。具体的には、流体デバイスの液体の流れを操作するためのバルブを作製した。実際には、マイクロ流体チップ上にマイクロ流路とチャンバーを作製したもので、チャンバーの膜上に置いた金属の錘にオジギソウの枝が滑車を通してワイヤでつなげられ、枝が下がると錘が持ち上がり、ふさがっていた流路が開く仕組みとした。オジギソウの力の測定では、鉢植えのオジギソウではバルブの開閉に十分な15mN、枝部分だけを切り離した状態でも枝を二つ使えば同等の力が出せることが分かった。バルブの動作実証実験では、バルブの開いた状態が鉢植えの枝では約8分間、枝だけの状態では約2分間持続した。いずれもバルブの開閉を3回繰り返すことができ、耐圧は4.2kPaと、このサイズのバルブとしては圧電素子を用いた既存のものに匹敵する機能を持つことを確認できた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Flow analysis on microcasting with degassed polydimethylsiloxane micro-channels for cell patterning with cross-linked albumin (2020)
  • Author(s): Shen Yigang、Tanaka Nobuyuki、Yamazoe Hironori、Furutani Shunsuke、Nagai Hidenori、Kawai Takayuki、Tanaka Yo
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 5 Pages: e0232518-e0232518
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0232518
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pneumatically actuated thin glass microlens for on-chip multi-magnification observations (2020)
  • Author(s): Yusufu Aishan, Yaxiaer Yalikun, Yo Tanaka
  • Journal Title: Acuators Volume: 9 Issue: 3 Pages: 73-73
  • DOI: 10.3390/act9030073
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vacuum microcasting of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine polymer for stable cell patterning (2020)
  • Author(s): Tanaka Nobuyuki、Sekine Ryoji、Funano Shun-ichi、Sato Asako、Carretero Nuria Taberner、Ebisuya Miki、Tanaka Yo
  • Journal Title: BioTechniques Volume: 69 Issue: 3 Pages: 171-177
  • DOI: 10.2144/btn-2020-0052
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] User‐friendly cell patterning methods using a polydimethylsiloxane mold with microchannels (2020)
  • Author(s): Funano Shun‐ichi、Tanaka Nobuyuki、Tanaka Yo
  • Journal Title: Development, Growth & Differentiation Volume: 62 Issue: 3 Pages: 167-176
  • DOI: 10.1111/dgd.12637
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accurate rotation of ultra-thin glass chamber for single-cell multidirectional observation (2020)
  • Author(s): Aishan Yusufu、Yalikun Yaxiaer、Funano Shun-ichi、Shen Yigang、Tanaka Yo
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Issue: 2 Pages: 026502-026502
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab626d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Horizontal connection method for glass microfluidic devices (2020)
  • Author(s): Yaxiaer Yalikun, Nobutoshi Ota, Doudou Ma, Yo Tanaka
  • Journal Title: Micro & Nano Letters Volume: 15 Issue: 5 Pages: 333-338
  • DOI: 10.1049/mnl.2019.0603
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of flow-induced microfluidic chip wall deformation on imaging flow cytometry (2020)
  • Author(s): Yaxiaer Yalikun, Nobutoshi Ota, Baoshan Guo, Tao Tang, Yuqi Zhou, Cheng Lei, Hirofumi Kobayashi, Yoichiroh Hosokawa, Ming Li, Hector Enrique Munoz, Dino Di Carlo, Keisuke Goda, Yo Tanaka
  • Journal Title: Cytometry: Part A Volume: 97 Issue: 9 Pages: 909-920
  • DOI: 10.1002/cyto.a.23944
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Microfluidic Platform Based on Robust Gas and Liquid Exchange for Long-term Culturing of Explanted Tissues (2019)
  • Author(s): Nobutoshi Ota, Genki N. Kanda, Hiroyuki Moriguchi, Yusufu Aishan, Yigang Shen, Rikuhiro G. Yamada, Hiroki R. Ueda, Yo Tanaka
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 35 Issue: 10 Pages: 1141-1147
  • DOI: 10.2116/analsci.19P099
  • NAID: 130007726242
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2019-10-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A valve powered by earthworm muscle with both electrical and 100% chemical control (2019)
  • Author(s): Yo Tanaka, Shun-ichi Funano, Yuji Noguchi, Yaxiaer Yalikun, Norihiro Kamamichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: - Issue: 1 Pages: 8042-8042
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44116-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thin glass micro-dome structure based microlens fabricated by accurate thermal expansion of microcavities (2019)
  • Author(s): Yusufu Aishan, Yaxiaer Yalikun, Satoshi Amaya, Yigang Shen, Yo Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 115 Issue: 26 Pages: 263501-263501
  • DOI: 10.1063/1.5123186
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Remarks] 理化学研究所・集積バイオデバイス研究チームホームページ
  • URL: http://ibd.riken.jp/