2021 Fiscal Year Annual Research Report
Implantable power generation system driven by muscle contraction
| Project/Area Number |
18K18830
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
土方 亘 東京工業大学, 工学院, 准教授 (30618947)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永井 亜希子 愛知学院大学, 歯学部, 准教授 (40360599)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2022-03-31
|
| Keywords | 体内発電 / 機能的電気刺激 / 骨格筋 / 静電誘導 / 骨格筋刺激制御 / エレクトレット |
|---|
| 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．
本課題では小型発電システムの最適化設計を行うために，まず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を構築した．カエル腓腹筋を用いた筋収縮力測定実験では，このモデルが強縮のみならず不完全強縮も再現可能であることを実証した．
次に，電荷を半永久的に保持可能なエレクトレットを用いた振動型小型発電機を提案した．本発電機は筋肉の不完全強縮の振動数に合わせた固有振動数を有している．この発電機を最適設計するために，発電機構の機械的なダイナミクスおよび電気的なダイナミクスもモデル化し，上記筋収縮モデルと組合わせたマルチフィジックスモデル系を構築した．
この系を用い，発電電力から刺激に要した消費電力を差し引いた正味発電電力が最大となるように，刺激信号および発電機構の寸法を最適化した．その結果，数gの筋肉から0.2mWの発電が可能な発電機構を設計した．さらに，この設計に基づき試作した発電機構は，設計通り，不完全強縮を想定した10Hzの固有振動数を有することを実証し，生体と機械を一体としたシステムの設計を実現した．
|
