2020 Fiscal Year Research-status Report
Implantable power generation system driven by muscle contraction
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18K18830
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
土方 亘 東京工業大学, 工学院, 准教授 (30618947)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永井 亜希子 愛知学院大学, 歯学部, 准教授 (40360599)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2022-03-31
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| Keywords | 体内発電 / 機能的電気刺激 / 骨格筋 / 電磁誘導 / 骨格筋刺激制御 / 静電誘導 / バイオハイブリッドアクチュエータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ペースメーカ等の埋込型医療機器やSocitey5.0で実現が望まれている未病状態予測用体内ヘルスモニタリングセンサは，交換が必要な電池に代わる電源確保が望まれている．そこで本研究では骨格筋を外部電気刺激によって収縮し，その力学的エネルギーで発電機を駆動し，電気エネルギーを得る体内発電システムを提案している．
本年度は発電機の小型化設計，及び発電に必要な筋肉量の設計方法を開発した．まず，発電機については，骨格筋の収縮特性と発電機の機械的なダイナミクス，および発電用電気回路のダイナミクスすべてを考慮したうえで，発電量を最大化する共振型発電機構を設計した．本発電機はペースメーカの電池と同サイズであり，MEMS加工技術による製作を前提としている．その後，発電機のMEMS加工を実施するために，適切な加工条件を探索した．
発電に必要な筋肉量の設計法開発では，外部電気刺激に対する筋収縮を，電気的動特性，生理学的特性および機械的動特性で表現したモデルで表現したうえで，質量の異なる複数のカエル腓腹筋を用意し，筋肉毎にこのモデルのパラメータを同定した．その中で，筋肉質量と相関のあるパラメータを明らかにした．次にこのモデルを用い，発電に必要な筋収縮力を入力とし，筋肉質量を設計変数とした最適設計アルゴリズムを構築した．目標とする筋収縮量を満たす最小筋肉質量を設計した結果，実験で得られた筋肉質量に対し誤差3%程度での設計を実現した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は当初計画通り，骨格筋の収縮特性を考慮した小型発電機構を設計した．その後，発電機の試作を完成し実験的に評価する予定であったが，新型コロナウイルス感染症の影響で評価の部分は未達である．
一方，筋収縮モデルを用いた制御関連では当初予定していた最適刺激制御のアルゴリズム構築を終え，その目標をさらに上回る筋肉質量の設計アルゴリズムまで発展させ，実験的に検証することができた．以上の状況より，概ね順調に進展していると総合的に判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは，0MEMS加工技術を用いた小型発電機の試作を完了する．その後，発電機構の周波数応答の測定，エレクトレットの発電機への適用等を行い，機械的，電気的な基本特性を評価する．また，筋肉を模擬したリニアアクチュエータを用いて，in vitroでの発電評価実験を実施する．その後，動物筋肉をもちいた発電実験を行い，本研究で開発した体内発電システムの有用性を実証する予定である．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症拡大による緊急事態宣言により，大学への出校制限があり，研究を遂行できない期間が生じたため，最終年度の延長手続きを実施した．これにより，未使用額が発生した．次年度は，本研究費を用いて小型発電機の試作，および機械的，電気的な特性を計測するためのA/Dボード，筋収縮模擬用のアクチュエータシステムを購入する予定である．また，動物筋肉を用いて発電性能を評価するために，実験動物，および実験に係る試薬，手術器具等の消耗品を購入する予定である．
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