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2021 年度 実績報告書

筋収縮を利用した生体内グルコースをエネルギー源とする埋込型発電システム

研究課題

研究課題/領域番号 18K18830
研究機関東京工業大学

研究代表者

土方 亘  東京工業大学, 工学院, 准教授 (30618947)

研究分担者 永井 亜希子  愛知学院大学, 歯学部, 准教授 (40360599)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2022-03-31
キーワード体内発電 / 機能的電気刺激 / 骨格筋 / 静電誘導 / 骨格筋刺激制御 / エレクトレット
研究実績の概要

ペースメーカ等の埋込型医療機器やSocitey5.0で実現が望まれている未病状態予測用体内ヘルスモニタリングセンサは,交換が必要な電池に代わる電源確保が望まれている.そこで本研究では骨格筋を外部電気刺激によって収縮し,その力学的エネルギーで発電機を駆動し,電気エネルギーを得る体内発電システムを提案している.
本課題では小型発電システムの最適化設計を行うために,まず外部電気刺激に対する筋収縮を,電気的動特性,生理学的特性および機械的動特性で表現したモデルを構築した.カエル腓腹筋を用いた筋収縮力測定実験では,このモデルが強縮のみならず不完全強縮も再現可能であることを実証した.
次に,電荷を半永久的に保持可能なエレクトレットを用いた振動型小型発電機を提案した.本発電機は筋肉の不完全強縮の振動数に合わせた固有振動数を有している.この発電機を最適設計するために,発電機構の機械的なダイナミクスおよび電気的なダイナミクスもモデル化し,上記筋収縮モデルと組合わせたマルチフィジックスモデル系を構築した.
この系を用い,発電電力から刺激に要した消費電力を差し引いた正味発電電力が最大となるように,刺激信号および発電機構の寸法を最適化した.その結果,数gの筋肉から0.2mWの発電が可能な発電機構を設計した.さらに,この設計に基づき試作した発電機構は,設計通り,不完全強縮を想定した10Hzの固有振動数を有することを実証し,生体と機械を一体としたシステムの設計を実現した.

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] METHODS FOR INVESTIGATING CONTRACTION CHARACTERISTICS OF A PART OF MUSCLES FOR IMPLANTABLE POWER GENERATION SYSTEMS2022

    • 著者名/発表者名
      SAHARA GENTA、HIJIKATA WATARU、INOUE YUSUKE、YAMADA AKIHIRO、SHIRAISHI YASUYUKI、FUKAYA AOI、KARUBE MASATO、GENDA TATSUYA、IWAMOTO NAOKI、TACHIZAKI YUMA、MORITA RYOSUKE、YAMBE TOMOYUKI
    • 雑誌名

      Journal of Mechanics in Medicine and Biology

      巻: 22 ページ: 2250007

    • DOI

      10.1142/S0219519422500075

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Contraction model of skeletal muscle driven by external electrical stimulation?Proposal and Identification?2021

    • 著者名/発表者名
      Hijikata W.、Mochida T.、Liu J.、Sugimoto W.
    • 雑誌名

      Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc .

      巻: - ページ: 4761-4764

    • DOI

      10.1109/embc46164.2021.9630281

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of a resonance generator utilizing incomplete tetanus of skeletal muscle2021

    • 著者名/発表者名
      Mochida T.、Hijikata W.
    • 雑誌名

      Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc .

      巻: - ページ: 7248-7251

    • DOI

      10.1109/embc46164.2021.9630681

    • 査読あり
  • [学会発表] Contraction model of skeletal muscle driven by external electrical stimulation;Proposal and Identification—2021

    • 著者名/発表者名
      Wataru Hijikata, Takumi Mochida, Jitong Liu, Wataru Sugimoto.
    • 学会等名
      43rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a resonance generator utilizing incomplete tetanus of skeletal muscle2021

    • 著者名/発表者名
      Takumi Mochida, Wataru Hijikata.
    • 学会等名
      43rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC)
    • 国際学会

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公開日: 2022-12-28  

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