2016 Fiscal Year Annual Research Report
機能性流体による力学的脳組織模擬における流動現象の解明と手術シミュレータへの展開
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16H04309
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| Research Institution | 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群) |
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Principal Investigator |
辻田 哲平 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (40554473)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安孫子 聡子 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (40560660)
冨永 悌二 東北大学, 医学系研究科, 教授 (00217548)
中川 敦寛 東北大学, 大学病院, 特任准教授 (10447162)
近野 敦 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (90250688)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | MR流体 / 機能性流体 / バーチャルリアリティ / 離散要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
MR流体を用いた遭遇型力覚提示装置のモデルベース設計のために，術具が流体中を移動する際の分散粒子の挙動を数値シミュレーションで解析し，発生抵抗力を算出可能なフレームワークを開発した．離散要素法を用いMR (Magnetorheological) 流体を強磁性体粒子が分散媒中に存在する一般的な固液二相流としてモデリングし，磁場を印可すると鎖状クラスタが形成されることを数値シミュレーション上で確認することができた．また，0.0025立方ミリメートルのMR流体を切断した際の切断抵抗力を計算可能とした．使用している流体の体積が異なるが，MR流体の切断試験実験で得られた切断抵抗力と趨勢が一致した．
従来，MR流体を入れた容器にかかる力をロードセルで取得し，術具にかかる力を間接的に取得していたが，MR流体を用いた力覚提示の精度を向上するために，術具に起歪部を設け歪みゲージを貼ることで，術具にかかる力を直接計測可能とした．この情報をもとに有限要素法に基づいて計算された切断抵抗力に従って力制御するプログラムを現在開発中である．
また，これまで生体軟組織の切断感覚提示している場所（手元）と変形・切断の様子を示したコンピュータグラフィックス画面（目の前のモニタ）の場所が異なっており，現実感に限界があった．そこで，MR流体上にプロジェクタで生体組織の変形挙動を投影することで，力覚情報と視覚情報を同じ場所で提示することが可能なり，現実感を向上させることに成功した．この開発したVisual Haptic Displayを，国際会議Asia Hapticにてデモンストレーション展示し，Honorable Mention Awardに選出された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
DEM(離散要素法)の計算においては，対象とする粒子（強磁性体粒子）の数が増大するにつれ，飛躍的に計算コストが上昇する．対象とするMR流体の強磁性体粒子は，1立方センチメートル中に約8億個存在するため，計算が極めて困難である．このため，数値シミュレーションの高速化と実験方法の見直しを行った．高速化には，マルチコアCPU(Central Processing Unit) / GPU(Graphics Processing Unit)を用いた並列計算を用いることとした．また，実験方法の見直しにおいては，25平方ミリメートル程度の小容量のMR流体に磁場を印可し，これを切断することで抵抗力を測定可能な試験装置を開発した．今後，この小容量のMR流体の切断抵抗力試験結果を数値シミュレーションの妥当性検証のために使用していく．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きマルチコアCPU/GPUを用いた並列計算により高速化を行う．また，アルゴリズムレベルでの簡略化を行い，高速化を行う．複数GPUを用いた高速化にも着手する．これらの高速化だけでは前述の25平方ミリメートルのMR流体の切断シミュレーションを実現することは困難であると予想されるため，実験とシミュレーションのスケーリングの方法について検討する．また，検証用に単位体積当たりの粒子数が少ないMR流体を調製し，切断実験をおこない，これと比較することも検討する．
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