生物の自己改変能力を実装するバイオソフトロボティクス
| Project Area | Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing |
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| Project/Area Number |
18H05467
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
清水 正宏 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (50447140)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梅舘 拓也 信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (60582541)
志垣 俊介 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50825289)
細田 耕 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10252610)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥117,650,000 (Direct Cost: ¥90,500,000、Indirect Cost: ¥27,150,000)
Fiscal Year 2021: ¥21,580,000 (Direct Cost: ¥16,600,000、Indirect Cost: ¥4,980,000)
Fiscal Year 2020: ¥21,580,000 (Direct Cost: ¥16,600,000、Indirect Cost: ¥4,980,000)
Fiscal Year 2019: ¥25,480,000 (Direct Cost: ¥19,600,000、Indirect Cost: ¥5,880,000)
Fiscal Year 2018: ¥30,290,000 (Direct Cost: ¥23,300,000、Indirect Cost: ¥6,990,000)
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| Keywords | 生物 / 自己改変能力 / バイオソフトロボティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H30年度は，以下の3つの研究を推進した。
１．カエルサイボーグ：生体筋弾性エネルギーの効率的利用。遊泳運動を生み出す腓腹筋は、膝関節と足首関節を跨ぐ二関節筋であり、関節伸展時に負荷を受ける。関節伸展の有無による、筋の出力特性を計測し、カエルサイボーグの遊泳能力を向上させるための生体筋弾性エネルギーの効率的利用を検討した。
２．細胞触覚センサ：触覚刺激強度の実験的同定。これまで細胞が外部からの機械刺激に応答して、カルシウムイオンを取り込む性質や、細胞の分布・配向を変える性質を利用することで、事前にトレーニングとして加えていた機械刺激を選択的に知覚する触覚センサを達成した。開発した機械刺激装置によって，PDMS膜越しに細胞への機械刺激を印可し、カルシウムイオンの蛍光量を計測することで、触覚センサとしての性能を評価した。
３．心筋細胞ロボット：心筋細胞群の非線形振動子ネットワークモデル。ラットの心筋細胞は、身体構造（コラーゲンゲル薄膜）を駆動するためのアクチュエータとして働く。心筋細胞は、身体構造に適した関節を駆動するように自律的に配置を変更することができた。しかしながら、現状では、機械刺激による細胞の振る舞いを利用したに過ぎず、心筋細胞群の拍動タイミング（アクチュエータの駆動タイミング）を制御できていない。Ｈ３０年度においては、ギャップジャンクションを介して構成される心筋細胞群の拍動を非線形振動子ネットワークとしてモデル化した。さらに、今まで取り組んできたイモムシ型やミミズ型のひも状構造を起点にして， 3次元的にも心筋を配置した時に，身体構造に依存して変わる心筋細胞群の分布からどのように拍動リズムが自発生成されるかを議論した。
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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
H30年度は、新学術領域が開始し、年度当計画していたプロジェクトを推進することができた。一方で、3Dバイオプリンタ納品の遅れにともない、研究経費を一部翌年度に繰越して推進した。このことから、おおむね順調に進展していると評価した。本年度は、H30年10月までに、新学術領域研究採択、共通機器3Dバイオプリンタ選定・発注、3Dバイオプリンタ納品を行い、H31年3月までに、初代培養細胞のプリント実験、細胞駆動型ロボットのプリント実験を行う予定であった。しかしながら、オプション部品（熱可塑性樹脂用ヘッド、冷却用ヘッド、高精度シリンジヘッド）を外国で新規に素材調達・加工・製造した上で、輸入を伴う納品が必要だったため、納期が遅延することが明らかとなった。その結果、細胞駆動型ロボットのプリント実験の開始が3ヶ月遅延することとなった。当該計画研究を構成する、3つの研究（カエルサイボーグ、細胞触覚センサ、心筋細胞ロボット）については、実績報告で示したとおり、当初予定していた実験を予定通り推進することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
H31年度は、新学術領域研究の計画研究班における連携のみならず、公募班との連携も重視し、研究を推進する。
１．カエルサイボーグ：アクチュエータとして用いる筋組織は、生体から切除後、数時間程度しか使えないため、長期間の培養方法を確立し、サイボーグの実用性向上を試みる。これにより、サイボーグ型バイオソフトロボットの実用的な運用を達成する。ここでは、同時に、カエル筋組織の電気刺激以外での筋組織の活性化手段についても検討する。具体的には、光刺激、化学刺激、熱刺激、磁気刺激である。これらの刺激のために、遺伝子改変を行ったカエル個体を作成する。どの刺激が適切であるかを検討する。
２．細胞触覚センサ：ロボットハンドに実装可能な細胞触覚センサを実現するためには、超薄型の細胞触覚センサデバイスを開発しなければならない。この目的のために、細胞触覚センサに実装可能な多電極を実装したチャンバを設計し、細胞の触覚受容時に発生する微弱な電圧を計測する。このために、MEMS技術によって、チャンバの設計・製作を行う。
３．心筋細胞ロボット：心筋細胞を自律分散的に制御するために、心筋細胞への拍動のフィードバックシステムを構築する。光受容性のチャネルロドプシン遺伝子を導入し、光刺激時に心筋細胞の拍動リズムを修正する系を構築し、自律分散制御を実現する。また、領域の共通機器として導入したバイオ3Dプリンタによって、心筋細胞を包埋したゲル構造体の形状を直接造形する。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
