2021 Fiscal Year Research-status Report
Ultrasonic Self-propelled Vascular Robot Propulsion System
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20K20217
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
孔 徳卿 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (50868974)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 非線形音響 / 音響駆動力 / 液中推進システム / 血管内ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は，圧電素子で超音波振動を励振することで推進力を発生させる液中推進システムである。液中での自走型推進システムは種々考案されているが， 単純な構造，高パワー密度，小型化と低コストの利点を持ち，低侵襲治療，さらに遠隔医療に向け，血管内ロボット推進システムの創成が期待される。
液中超音波推進システムの理論を解明するため，音響駆動力（音響放射力、音響流、その他）を中心として音響駆動力を検討した。弾性表面波素子とPZT円板厚み振動子による水中音圧分布と粒子速度を測定した。弾性表面波素子による水中音圧はレーリー角度で両側に放射された。厚み振動子による水中音圧は軸中心に強く，離れるにてれて低下した。電圧-最大粒子速度特性も検討した。粘性力と音響推進力の関係を議論するため、グリセリン・純水の体積比を調整し，高粘度により推力が低下することも判明した。複数のPZT縦振動子を用いた多自由度ロボットを考案し，左折と右折を実現した。音響駆動力による液中推進システムを評価するため，振動源の推力とスイマーの運動速度の測定環境も改善した。さらに，血管内ロボットの実用化に向け，人体に優しい圧電材料を考慮して，非鉛性LN厚み振動素子も検討した。
実績において、国内学会5件と国際学会2件を行った。論文2件を掲載した。特許1件を申請した。
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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
推進力発生のメカニズムを音響駆動力（音響放射力、音響流、その他）の理論から定量的に明らかにするとともに，推進力源となる振動子の振動姿態や周波数に対する応答など，基本的な特性について検討する。液中超音波推進システムの理論を解明するため，音圧分布と粒子速度について特性を把握できたことで，音響駆動力などを改善する要因を明らかにした。具体的には，
1, 弾性表面波振動子による水中音圧を測定した。PZT円板厚み振動子による水中音圧分布を測定した。厚み振動子による水中音圧は軸中心に強く，離れるにてれて低下した。
2,PZT円板厚み振動子による水中粒子速度分布と電圧-最大粒子速度特性を検討した。
3,粘性力と音響推進力の関係を議論するため、グリセリン・純水の体積比を調整し，高粘度により推力が低下することも判明した。
4,複数のPZT縦振動子を用いた多自由度ロボットを考案し，左折と右折を実現した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題で血管内を動き回り診断を行ったり治療を行ったりすることが考えられる。血管内で血流があり，高推力と小型化の推進システムは不可欠である。マイクロ化と高推進力のため，超音波素子の材料と電極設計に関する研究も行う。高周波数による弾性表面波素子と厚み振動子の小型化を検討する。実用化に向け，血管環境のような管内駆動実験を行う。具体的には，
1, 音圧分布と粒子速度について特性を把握できたことで，音響駆動力の反作用の推力を計算する。
2,粘性力と音響推進力の関係を解明し，血液粘性と音響推進力を検討する。
3,血管内手術向けに，mmオーダーのロボットを検討する。
4,血管環境のような管内駆動実験を行うため、パイプ内ロボットの運動測定を検討する。
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