ミミズ体壁筋を用いた微小流路内流体制御・物質輸送システムの創出

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13919
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 田中 陽 国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, ユニットリーダー (40532271)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: マイクロ・ナノデバイス / マイクロマシン / 流体工学 / 生体機能利用 / ミミズ

研究実績の概要

掌サイズの基板上の微細流路に化学・生化学プロセスを集積したマイクロ流体チップは次世代型実験ツールとして注目されているが流体や物体の駆動には流路に比べ大きく煩雑なシステムが必要である。一方、生体の筋組織は精緻な化学・力学的機能が集約された流体制御素子であり、これを組み込むことで飛躍的に高集積・高機能なデバイスを実現可能との着想のもと、申請者は以前心筋を用いたポンプを開発したが、外部制御が困難という問題があった。そこで申請者はミミズの体壁筋に着目した。これは心筋や平滑筋のような流体制御に適した膜環状構造を持ちながら骨格筋のように瞬発性・制御性が高く、また体表の剛毛と併せて蠕動運動も可能なきわめて高度な筋組織であり、本研究ではこれを用いた微小流路内での流体制御および物体輸送システムの創成を目的とした。
当該年度は、前年度までに実証したミミズ体壁筋を用いたポンプの実績をベースに、これを流体を止める装置であるバルブに展開した。バルブはポンプと違い、確実に穴をふさぐ大きな変位に加えて持続的な収縮力が求められる。そこで、電気刺激を断続的に与え、持続的に収縮できるようにすることで、電動バルブを動作させることに成功した。さらに、化学刺激による持続的な収縮力を利用したバルブも実証し、これにより駆動源のみならず、刺激もすべて化学物質によるアクチュエータをはじめて実証した。今後の細胞バイオデバイス発展にとってきわめて意義深い結果である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当該年度は、実際にミミズの体壁筋を用いたポンプに引き続きバルブを実現することができ、まずは当初の計画を達成できたといえる。また、電気刺激のみならず化学刺激によるバルブ駆動も実証できたことから、本来のバイオアクチュエータである、化学物質オンリーでの駆動・制御ができることが証明され、順調に目的が達成できているといえる。

今後の研究の推進方策

今後は、ポンプやバルブ等の、流体デバイスのみならず、ミミズ体壁筋の収縮力を利用したロボットの開発へと移行するが、そのためにまず、方向性をもって歩行するロボットの試作、ならびにそれに供するためのミミズの基礎的な力学応答特性を明らかにする。また、歩行ロボットに留まらず、車など、多種類のロボットを試作し、様々な用途に使えるということを実証する。

次年度使用額が生じた理由

当該年度は、当初想定よりも化学刺激によるバルブの発生力が大きいことがわかり、これを最大化させるための検討をする必要がなくなった。これにより、研究自体は当初の計画よりも進展したことになるが、必然的にバルブ性能向上に向けた実験が大幅に短縮することが可能となり、それ相当分として研究費の未使用分が発生した。

未使用分と翌年度請求の合計2,991,900円は、ミミズロボット開発用の物品費としてミミズ他、試薬や実験器具などの消耗品として700,000円、学会参加や打ち合わせ等のための旅費として300,000円、実験員等の人件費として1,900,000円、学会登録費などその他として91,900円を計画している。

研究成果

• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.qbic.riken.jp/ibd/jpn/