Force plate for measurement of insect ground reaction force using micro springs

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K20984
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 高橋 英俊 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (90625485)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 尾上 弘晃 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30548681)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: フォースプレート / MEMS / バイオメカニクス

Outline of Annual Research Achievements

微小昆虫であるショウジョウバエを計測対象として、特化したフォースプレートの設計・試作・計測システムの構築を行った。計測システムでは、プレートの垂直方向の変位を下部に配置したサブミクロンの分解能を持つレーザー変位計で検知する設計とした。フォースプレートは、3Dプリンタで一体化して製作したプレートの四隅をマイクロスプリングで支える構造とした。マイクロスプリングの設計・製作・評価に関しては、一般的に壊れにくさとバネ定数が小さいことはトレードオフであるが、マイクロスプリングとして、三次元的なコイルバネ形状の構造にすることで2つの要求仕様を両立した。ショウジョウバエは体長が2 mm程度、体重が1 mg程度であるため、プレートの寸法を9 mm角、マイクロスプリングのばね定数を10 N/m程度となるように設計・製作した。プレートは剛性を持ちかつ軽量となるようハニカム構造を採用した。またマイクロスプリング構造は直径2 mmのスプリング構造とした。フォースプレートの共振周波数を計測し、100 Hz程度となることを確認した。さらに試作したフォースプレートとレーザー変位計を組み込み、計測システムを構築した。プレートに対して、上面からガラス針で力を印加し、その際の変位計の応答を計測することで、キャリブレーションを行った。その結果、力を印加する位置に寄らず、力に対して変位計は一意に応答を示すことを確認した。さらに試作したフォースプレート上を昆虫が乗るような実験セットアップを組み立てた。構築したセットアップにショウジョウバエを入れ、ショウジョウバエがプレート上に乗った際に体重と同等となる力が検出されることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画した通り、3Dプリンタでマイクロスプリング構造を製作し、フォースプレート構造を構築した。さらにプレートの機械的な特性を評価し、ショウジョウバエが乗った際に妥当な結果が得られたため、概ね順調に研究が進んでいると判断した。

Strategy for Future Research Activity

昆虫が歩行・走行した際のレーザー変位計の応答と同期して昆虫の運動の軌跡をカメラで撮像することにより、運動中の足裏反力を計測するようなセットアップを構築する。さらに昨年度得られた知見を基にフォースプレートの設計・製作の最適化を目指す。

Causes of Carryover

コロナの影響でフォースプレートの試作回数が少なくなったため、次年度使用が生じた。リモートワークにより、シミュレーション等で設計を行っていたため研究の進捗自体に支障はない。今年度には、昨年度使用しなかった分の試作を行っていく予定である。