2020 Fiscal Year Research-status Report
Analysis of cell growth using micromanipulator with micro force sensor
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19K04310
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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 |
洞出 光洋 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, 講師 (30583116)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | マイクロマシン / マイクロロボット / 微小力センサ / 細胞操作 / 画像解析 / ＭＥＭＳ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ロボットハンドを用いた把持操作工程において，把持時の反力計測を行うことで操作対象物の硬さ計測を実施したい．これまでにマイクロハンドと呼ばれるミクロンオーダで操作可能なロボットアームを用いて，細胞操作に適したマイクロハンドのエンドエフェクタの開発を実施してきた．さらに，数百マイクロメートル四方のエンドエフェクタ先端領域に力計測可能なセンサを集積するデバイス開発を本研究課題に先駆けて実施してきた．本研究課題の開始とともに，これまでになかった直径100～300マイクロメートルの細胞や生体組織に対して，把持反力を計測する手法の確立を目指している．
これまでにマイクロマニピュレータと呼ばれる３次元操作可能なマイクロハンドへ，センサ付きエンドエフェクタの実装を行ってきた．また，フォースカーブの計測，さらに並行して顕微鏡下であらかじめ細胞挙動をビジョンベースで計測する手法についても挑戦してきた．
今年度においては，センサからの値を取得するために，新たに回路システムの構築を行い，さらにセンサ付きエンドエフェクタのノイズ等の影響を調査し，最小限にノイズを抑制するアプローチを，ハードとソフト両面から実施した．また，細胞挙動についても顕微鏡下での温度管理システムの構築，さらにタイムラプス撮影と解析手法に挑戦し，動物細胞のトラップや，植物細胞の挙動解析に一定の成果と必要な知見が得られた．
今後はまず直径100～300マイクロメートルの生体組織や，有機物に対して反力計測を実施し，様々な硬さの異なるサンプルに対してどのような差異が生じるかを調べたい．具体的には植物の根や茎，動物細胞のスフェロイドだけでなく，両者国比べ変形性能の劣るポリスチレン製のマイクロビーズの硬さ計測を実施したい．
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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
半導体ひずみゲージから構成される微小力センサを搭載したマイクロマニピュレータはこれまでに開発例がないため，MEMS開発や解析研究，ロボットマニピュレーションを中心に新規の計測手法の確立が必要である．さらにナノマイクロスケールの物理学，細胞培養の知見等も必要となるため，進展と同時に予想しない新たな問題点が生じる可能性が十分考えられた．そのなかでも細胞から構成される生体組織の反力計測に成功した点は非常順調であると言える．一方新たな課題として微小力センサの正しい値のみをいかに取得するかという問題が生じた．今年度は回路を中心に微小値の高出力を試みた．またノイズ対策として，マニピュレータの設置環境等を見直して，実験装置を改良することで，問題の抑制にも成功した．
細胞の挙動確認においても，マイクロマニピュレータ環境下だけでなく，マイクロ流路システム内での挙動確認と解析を並行して実施し，より多くの知見を取得することができた．現在生体顕微鏡だけでなく金属顕微鏡でも細胞挙動をリアルタイムで情報取得するシステム構築が完成した．マニピュレータを用いる特徴の１つとして，把持力を徐々に変えながら挙動をみることが挙げられる．遺伝子解析と異なり，結果に至る過程を明らかにすることを目的に，必要な実験系確立を行うことができた．
細胞特性計測は様々な手法が確立されているが，今回は植物細胞と組織にも挑戦した．農薬開発等にも期待でき，MEMSやマイクロロボット技術との融合研究報告例が非常に少ないことからも，ユニークな研究になると考え新たに挑戦した．
上記のようにマイクロマニピュレータを用いた計測だけでなく，問題点の対策，リアルタイム観察システムの確立，さらに細胞挙動解析まで実施することができたため，順調であると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は，主に計測系の課題解決や，実験系の構築等をメカトロニクスならではの利点を活かして実施してきた．さらにメカトロニクスと細胞挙動解析の融合についても進めており，細胞成長のリアルタイム観察等を通じて細胞のユニークな挙動結果を得ることができた．最終目標である，マイクロマニピュレータを用いた細胞の硬さ計測に挑戦していきたい．これまで順調に進展しており，これまでにないユニークな計測系確立に期待が持てると考えている．
特に既存の技術との差別化を図りたい．例えばAFMのような計測系の場合，細胞表面の硬さ情報しかえることができない．マイクロ流路では細胞全体の評価しか得ることができない．植物の茎のような場合，表面は硬く内部は柔らかい組織であるが，マイクロマニピュレータを用いることで，押し込み量に対して硬さが変化するというような計測結果が期待できる．実施に向けて必要な知見は２年間でおおむね得られたため，是非トライしてみたいと考えている．また，全体的に柔らかいスフェロイド，全体的に硬いポススチレン等のサンプルを同時に計測することで，サンプル間でどのような挙動の違いがみられるか，興味深いため合わせて挑戦する．
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| Causes of Carryover |
当初の計画より順調であり，３年目の目標であった国際会議MicroTASでの発表を行えることとなった．そのため出張旅費として25万円程当該年度の科研費から確保していたが，コロナ禍でオンライン開催となったため，米国への旅費相当分の支出がなくなった．国内会議も同様で，全てオンライン開催となったため旅費の支出が0であったことが差額の生じた大きな理由である．ただし，次年度の学会参加や，研究が進展しているためクリーンベンチの導入費に充てたいと考えている．クリーンベンチが機種によって大きく性能が異なるため，選定に時間を要したため，当該年度予算からの購入を見送った．
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