| 研究課題/領域番号 |
20J23398
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
持田 匠 東京工業大学, 工学院, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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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 / エナジーハーベスティング |
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| 研究実績の概要 |
ペースメーカなどの植込型医療機器は機器内部の電池によって駆動する．電池残量の減少に伴い数年後毎に機器交換用の外科手術を要するため，身体的および経済的な負担が大きい．この課題の解決策として体内のエネルギー源を利用し発電する体内発電システムが挙げられ，本研究では筋肉を介して体内の糖を電気エネルギーに変換するシステムを提案している．本年度は本システムの実現を目指し，発電に適した筋収縮運動の導出とそれに合わせた発電機の提案，および設計を行った．
本研究では，筋肉が外部刺激の周波数に同期して振動する現象である不完全強縮を利用し，発電機構を共振させることで電力を得ることを想定している．この不完全強縮は外部刺激の周波数が20 Hz以下の場合に生じるがこのとき外部に与える仕事が周波数に応じてどのように変化するかは未検証であった．そこでカエルの筋肉を用いて外部刺激により収縮させた際の変位と力から仕事を求め，周波数を5～20Hzと変化させた際の仕事を比較した．その結果，10Hzのときに筋肉は最も外部に仕事をすることを確認した．
実験により求めた筋肉の不完全強縮と共振するような発電機を設計するため，構造解析を行い発電機寸法と固有振動数の関係を求めた．発電機は植込型医療機器内部に搭載可能な程度に小型でなければならないため，発電方式は静電誘導を採用した．筋肉と発電機のダイナミクス，および静電誘導を組み合わせ，不完全強縮に伴う振動によって発電機が生み出す電力を計算するシミュレーションを作成した．このシミュレーションを用いて10 Hzという低周波数を制約条件とし，その中で発電電力が最大になるように発電機寸法，発電部の形状を決定した．このとき試算された発電電力は最大122.5μWであり，植込型医療機器の駆動には十分な電力を得られていることを確認した．
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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
当初は不完全強縮の特性に合わせた発電機の提案，設計までを行う予定となっていた．本年度はその計画通り，発電機の提案と設計を行った．
また，試作した発電機の周波数応答の計測，および非生体環境下での電力評価試験が行うための実験系を作成した．設計した発電機は現在外部に加工を依頼しており，完成次第実験が行える準備が整っている．
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| 今後の研究の推進方策 |
当初の予定通り，試作した発電機の周波数応答を計測し固有振動数の確認をしたのち，電力評価試験を非生体環境下で行い，所望の発電電力を達成してるか確認する．その後，カエルの筋肉と発電機を接続して駆動させ，刺激による消費電力を差し引いた正味発電電力が植込み型医療機器の消費電力を上回っているかを検証する．また，筋肉の不完全強縮，疲労を考慮した刺激制御器の設計を行うため，これらを考慮した筋肉の外部刺激に対する応答を表す数理モデルを新たに開発する予定である．
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