接触・非接触ハイブリッド型三次元バイオマイクロマニピュレーション

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09750256
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 新井 史人 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (90221051)
• Keywords: マイクロマニピュレーション / 微小力センサ / テレオペレーション / バーチャルリアリティ / キャリブレーション / 顕微操作 / 誘電泳動力 / バイオ応用

Research Abstract

接触型及び非接触型のマイクロマニピュレーション手法を統合化して、三次元的な操作が容易な三次元バイオマイクロマニピュレーションシステムに関して研究を行った。提案したシステムは、主に大きさが10ミクロン以上、1mm以下の対象物に対して、顕微鏡下での力学的干渉を伴う作業(解剖操作など)を行うものである。ここで扱う作業は、対象物との直接的な接触を伴う作業であるため、作業ツールの制御は接触型のマイクロマニピュレータによって行う。扱う対象物は細胞や胚であり、液体中での操作が基本となる。対象物の大きさは非常に小さく、液体中での接触作業は非常に困難である。このため、作業性を向上するためには対象物を液体中で固定する必要がある。これを非接触マニピュレーションによって行う。また、顕微鏡下での作業は視認性が悪く、三次元的な操作は非常に困難である。これを改善するために接触型マイクロマニピュレータのキャリブレーション手法に関して研究した。また、位置情報だけでなく、力情報も提示できるように微小力センサを試作し、その信号処理および、バイラテラル制御システムに関して研究を行った。ツールの制御を行う接触型マイクロマニピュレータと対象物の制御を行う非接触マイクロマニピュレーションシステムを統合化して三次元的な操作が容易に行えるようなシステムの研究を行った。本研究の成果を以下にまとめる。
・接触型マイクロマニピュレータ:可動範囲が広範囲な3自由度位置制御ステージ(ステッピングモータ駆動)の上に、可動範囲が狭いが高速応答が可能な3自由度位置制御ステージ(PZT駆動)を乗せ、3自由度接触型マイクロマニピュレータを構築した。
・対象物の固定:微小な対象物を液体中で固定するデバイス(バイオアライナー)を提案した。誘電泳動力の制御により、対象物を非接触マニピュレーションし、対象物の位置と姿勢を任意に制御することが可能となることを理論的に示した。また、位置制御の有効性を実験的に示した。
・キャリブレーション:ツール先端の位置を顕微鏡によって三次元的に計測し、接触型マイクロマニピュレータのキャリブレーションを行った。絶対位置決め精度として、誤差を数ミクロン以下にできた。これとリンクして、視点変更が自由に行えるVR空間を通じて微細作業を行うシミュレータを構築した。
・3軸微小力センサ:大きさが4.5mm×5.0mm×0.5mmの小型3軸力センサを試作し、力計測を行った。
・マクロマイクロテレマニピュレーション:試作したマイクロ力センサに適したバイラテラル制御系を構築して、全体を統合化したマクロマイクロテレマニピュレーションシステムを構築した。

Research Products

• [Publications] Fumihito Arai: "3D Micromanipulation System under Microscope" Proc.1998 Int.Symp.on Micromechatronics and Human Science. 127-134 (1998)
• [Publications] Fumihito Arai: "3D Position and Orientation Control Method of Micro Object by Dielectrophoresis" Proc.1998 Int.Symp.on Micromechatronics and Human Science. 149-154 (1998)