2022 Fiscal Year Annual Research Report
気流可視化と電気生理の融合による昆虫能動的化学感覚フィードバック系の解析
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22H01450
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
志垣 俊介 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (50825289)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
倉林 大輔 東京工業大学, 工学院, 教授 (00334508)
櫻井 健志 東京農業大学, 農学部, 教授 (20506761)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 微小領域気流可視化 / 触角電位応答計測 / ロボット嗅覚 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，化学感覚器である触角の形態的多様性が大きい昆虫を題材とし，生物の化学感覚システムの解明を目指すとともに，構造および情報処理を模倣することで人工化学センサの空間情報獲得性能の向上に挑戦する．
2022年度は，単離した触角に対する微小領域気流可視化実験系の構築，実装予定の人工システムの気流可視化実験の実施を行った．前者においては，性フェロモンに対して特異的に応答を示すカイコガ雄成虫の単離触角がどのように粒子を取り込むかを調査した．カイコガ雄成虫の触角は櫛のような側枝構造となっていることから，粒子の捕獲効率が棒状触角に比べて高いことが予想される．任意の流速で一定時間粒子を提示可能な装置を開発し，流速を変えながら気流可視化実験を行った結果，流速に応じて側枝を抜けてきた粒子が触角内部で渦巻くような現象の観測に成功した．これにより，粒子を一時的に触角内部に留める効果があり，構造によっても感度を向上させている可能性が示唆された．これと並行し，最終的に人工化学センサを実装する予定の3次元移動体である小型クワッドコプタの気流生成特性の解析を行った．クワッドコプタは浮力を得るために強力な風をプロペラによって引き起こす．一見すると，周囲環境をかき乱す行為であるが，気流可視化実験によって浮上気流が自身の方向に匂いを引き込む効果があることがわかってきた．そのため，化学センサの設置位置を工夫することにより，匂い源の高さが違ったとしても匂いを追従できるような気流になっていることが新たにわかった．これらの成果は，査読付き国際論文誌2編，査読付国際会議講演2件，ほかにおいて発表された．
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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
本研究は，生物規範型アプローチでのロボット嗅覚の確立を目指し，化学感覚器である触角の形態的多様性が大きい昆虫を題材に，昆虫の化学感覚システムを解明し，工学的に再構成することを目的とする．
2022年度においては，単離した昆虫触角に対して微小領域の気流可視化実験を実施し，粒子捕獲率の調査を行った．計測対象には，性フェロモンに対して特異的に応答を示すカイコガ雄成虫の触角を用いた．カイコガ雄成虫の触角構造は，嗅覚受容細胞が含まれている側枝が櫛型に並んでおり，高い確率でフェロモン分子が付着しやすいことが知られているが，その詳細な解析は進んでいない．そこで，任意の流速で一定時間の間微粒子を放出できる装置を構築し，流速を網羅的に変えながら触角側枝間の粒子の挙動を高速度カメラで計測した．その結果，ある流速から側枝間の粒子が渦を巻くような挙動に変化することが明らかとわかった．これと並行して，構築する人工化学センサを最終的に実装する予定の小型クワッドコプタの気流可視化実験を実施した．その結果，一見すると空気をかき乱しているようにみえる浮上気流であるが，化学センサの配置を工夫することで，匂い源高さが変化したとしても匂いを追従し続けることができることがわかった．これらの成果は査読付きの国際論文誌に採録されたことから国内外に新たな知見をもたらすことができた．以上の観点から，2022年度の進捗状況は，当初予定された計画以上の成果を得ることができたといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は，2022年度で実施した微小領域気流可視化実験によって得られた触角の粒子捕獲量が実際の感度と相関があるかを調査する．そのために，気流可視化実験と同じ条件で触角電位応答を計測し，粒子捕獲量と生理応答の振幅との関係性を解析する．前述の実験は粒子捕獲量計測実験と触角電位応答実験は独立して実施されていることから，流体のダイナミクスと生理応答の関係を直接評価することができない．そこで，実験系を拡張することによって，気流可視化実験と生理応答の同時計測実験を行う．また，同様の実験を棒状形態の触角をもつ昆虫に対しても実施し，形態差が生み出す匂いセンシングの違いの検討を行う予定である．
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