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
• Project/Area Number: 18H05467
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 清水 正宏 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (50447140)
• 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)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥117,650,000 (Direct Cost: ¥90,500,000、Indirect Cost: ¥27,150,000); Fiscal Year 2022: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); 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)
• Keywords: バイオソフトロボティクス / 自己改変能力 / 生物

Outline of Annual Research Achievements

１．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、超薄型の細胞触覚センサデバイスの開発を推進した。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した。ナノ薄膜上に有機電極を配置し、柔軟膜電極を構成した。これによって、ロボットに細胞触覚センサを実装し、特性を検証した。外部からのノイズを低減させた実験環境においては、センサ情報を取得できることが明らかになった。
２．筋細胞ロボット：筋細胞をアクチュエータとするマイクロロボットを構築した。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した。形態形成と分化誘導を両立するソフトバイオボディの設計方法を検討した。筋細胞を効率的に分化誘導するために、ゲル構造体の組成が重要であることを確認した。
３．昆虫サイボーグ：プリンテッドエレクトロニクス技術を活用し、印刷型の銀電極をインタフェースとするカイコガの触覚を利用した嗅覚受容サイボーグを構成した。
４．脳オルガノイドと筋細胞ロボットのインタフェースの検討：筋細胞アクチュエータの駆動方法として、電気刺激による工学的方法では、細胞への侵襲性が高いため、侵襲性を低くする駆動方法を検討した。筋細胞アクチュエータを生理学的に制御する手段として、神経制御を工学的に操作するための手段として脳オルガノイドと筋細胞間のインタフェースを検討した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

R2年度は、新学術領域が開始し3年目となった。新型コロナウイルスの影響を受け、大学間の共同実験、議論が困難となった。しかしながら、オンラインを活用した対応によって、R2年度における研究目的は、おおむね順調に進展することができた。また、同様のオンライン対応を活用することによって、公募班との連携も推進することができた。

Strategy for Future Research Activity

R3年度は、オンラインを活用した新型コロナウイルス対応を継続し、計画研究班における連携、公募班との連携を更に推進する。
１．細胞触覚センサ：開発を継続している超薄型の細胞触覚センサデバイスを機械に実装するのみならず、人間用のウェアラブルデバイスとしても使えるように応用する。この目的のために、センサデバイスの応答特性に基づき、人間の指先に取り付ける際のノイズの影響を検証する。
２．筋細胞ロボット：筋細胞をアクチュエータとするマイクロロボットを構築した。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、少ない筋細胞で効率的に駆動できる筋細胞アクチュエータを検討する。
３．脳オルガノイドと筋細胞ロボットのインタフェースの検討：筋細胞アクチュエータを生理学的に制御する手段として、神経制御を工学的に操作するための手段として脳オルガノイドと筋細胞間の共培養を推進する。

Research Products

• [Journal Article] Real-Time Odor Discrimination Using Single Antenna of Insect (2020)
  • Author(s): Shigaki Shunsuke、Ohashi Hirono、Sakurai Takeshi、Shimizu Masahiro、Hosoda Koh、Kurabayashi Daisuke
  • Journal Title: IEEE Sensors Letters Volume: 4 Issue: 10 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/lsens.2020.3024606
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Caterpillar-inspired Crawling Robot using Both Compression and Bending Deformations (2019)
  • Author(s): T. Umedachi, M. Shimizu, Y. Kawahara
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 4 Issue: 2 Pages: 670-676
  • DOI: 10.1109/lra.2019.2893438
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 日本ロボット学会第115回ロボット工学セミナー実施報告 (2019)
  • Author(s): 梅舘拓也
  • Journal Title: 日本ロボット学会誌 Volume: 37(1) Pages: 67-68
• [Journal Article] ソフトロボティクスの歴史と現状，今後の展望 (2019)
  • Author(s): 細田耕
  • Journal Title: 日本ロボット学会誌 Volume: 37(1) Pages: 7-11
  • NAID: 130007579791
• [Presentation] Exoskeletal biohybrid robot using antagonistic xenopus muscle (2020)
  • Author(s): Jinhwa Lee, Yuya Morimoto, Masahiro Shimizu, Shoji Takeuchi
  • Organizer: MicroTAS 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-Hand Small-Object Counting from Tactile Sensor Arrays Installed on Soft Fingertips (2020)
  • Author(s): Matthew Ishige, Takuya Umedachi, Yoshihisa Ijiri, Yoshihiro Kawahara
  • Organizer: IEEE RoboSoft2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 相互引き込みを起こす心筋細胞アクチュエータの設計 (2020)
  • Author(s): 北岩寛大，志垣俊介，大橋ひろ乃，清水正宏， 細田耕
  • Organizer: 第32回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] Electroantennography Measurement by Printed Electronics Electrode (2020)
  • Author(s): N. Yamada, S. Shigaki, M. Shimizu, H. Ohashi, T. Umedachi, T. Ogura and K. Hosoda
  • Organizer: 2020 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Towards 4D printing technology for muscle cells (2019)
  • Author(s): Hirono Ohashi, Naoki Yamada, Natsuki Minakawa, Ryota Yanagisawa, Shunsuke Shigaki, Masahiro Shimizu, Koh Hosoda
  • Organizer: 日本比較生理生化学会 第41回東京大会
• [Presentation] Posture control of lower limbs of Xenopus by small multi-electrode stimulation of sciatic nerve bundle (2019)
  • Author(s): S. Sakai, M. Shimizu, S. Ikemoto, K. hosoda, S. Shigaki and H. Ohashi
  • Organizer: The 41th Annual Meeting Japanese Society for Comparative Physiology and Biochemistry
• [Presentation] Experimental Verification of Printed Electrode for Electroantennogram (2019)
  • Author(s): N. Yamada, S. Shigaki, M. Shimizu, H. Ohashi, T. Umedachi, T. Ogura and K. hosoda
  • Organizer: The 41th Annual Meeting Japanese Society for Comparative Physiology and Biochemistry
• [Presentation] マルハナバチの仮想環境下マルチコプタ操縦システムの開発 (2019)
  • Author(s): 石黒 理紗, ジョシ デバラッド, 志垣 俊介, 梅舘 拓也, 清水 正宏, 細田 耕
  • Organizer: 第37回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] Actuation Frequency-dependent Automatic Behavioral Switching on Caterpillar-inspired Crawling Robot (2019)
  • Author(s): Takuya Umedachi, Masahiro Shimizu, Yoshihiro Kawahara
  • Organizer: 2019 2nd IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft)
  • Int'l Joint Research