| 研究課題/領域番号 |
18K18830
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
土方 亘 東京工業大学, 工学院, 准教授 (30618947)
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| 研究分担者 |
永井 亜希子 愛知学院大学, 歯学部, 准教授 (40360599)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| キーワード | 体内発電 / 機能的電気刺激 / 骨格筋 / 静電誘導 / 電磁誘導 / 骨格筋刺激制御 |
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| 研究実績の概要 |
ペースメーカや体内ヘルスモニタリングセンサ用の電源として，骨格筋を外部電気刺激によって収縮し，そのエネルギーを電気に変換するシステムを開発した．
まず，発電原理の検討として，永久磁石とコイルからなる電磁誘導方式と，エレクトレットと電極からなる静電誘導方式を検討した．静電誘導方式では，厚さ数百ミクロンで発電量数十マイクロワットが可能な発電素子を開発した．フレキシブルで薄型な利点を有するが，当初計画していた大胸筋の一部を用いた発電では，発電量が目標に達しないため，咬合用の骨格筋を用いた発電方式への適用を試みた．電磁誘導方式では，永久磁石の反発力と平行ばねを用いた周波数アップコンバート機構を有する発電機を設計・試作した．設計では百マイクロワット以上の発電が見込めたため，カエルの骨格筋に接続し，発電実験を実施した．その結果，数十マイクロワットの刺激電力を上回る発電量を得た．
より発電量を向上するため，なるべく少ない刺激電力で，なるべく大きな骨格筋の仕事を得るために，最適な刺激制御系の開発も試みた．その第一歩として，外部電気刺激に対する骨格筋の収縮応答をモデル化した．具体的には，刺激から収縮に至るまでの過程を，電気的動特性，生理学的特性，機械的動特性の３つが直列につながったモデルで表現した．過去の文献や骨格筋を用いた実験結果から，各モデルを決定し，パラメータ同定を行った．また，実際にカエルの腓腹筋を電気刺激し，実験的に得られた収縮特性と，提案モデルの収縮特性を比較し，よく一致することを確認した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
当初の計画通り，エレクトレットを用いた静電誘導型，および永久磁石を用いた電磁誘導型を用いた発電原理についてそれぞれ検討し，発電機の設計・試作と生体筋肉を用いた評価実験を実施した．また，外部電気刺激に対する骨格筋の収縮特性のモデル化も実施した．
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| 今後の研究の推進方策 |
当初予定通り，今後は外部電気刺激に対する骨格筋の収縮モデルに，筋疲労の影響も考慮し，長期的視点で発電量を最大化する刺激制御を実現する．また，骨格筋の収縮特性に合わせた発電機の最適設計を実施するとともに，生体適合性の考慮も行う．その後，大型の動物実験にて提案システムの評価を行う．
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