Implantable generation system utilizing conversion from glucose to electric energy through skeletal muscle

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ペースメーカなどの植込型医療機器における代替電源として，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．このシステムの実現を目指し，発電に適した筋収縮運動として不完全強縮を利用した共振式発電機構を考案した．昨年度は植込型医療機器への適用が可能となるよう半導体製造プロセスを用いた小型発電機の作成手法を検討し，筋肉の電気刺激に対する収縮応答を考慮した発電機の正味電力最大化手法を確立した．そこで今年度は，確立した設計手法を用いて発電機を設計・試作した．まず原理検証として発電機構は単純な機械加工を利用して作成し，発電素子であるエレクトレットのみ半導体製造プロセスで作成した．作成した発電機を生体模擬環境下で電力評価試験を行ったところ20.5 μWの電力を得た．設計では筋肉を動かすのに必要な消費電力が7 μW程度と試算されており，植込型医療機器の消費電力10 μWを上回ることが予想された．そこでカエルの筋肉4.4 gを使用し，筋肉への刺激に要した消費電力を差し引いた正味電力を評価した結果，最大正味電力13.6 μWを達成した．次に正味電力の向上と植込型医療機器への実装を目指し，発電素子の改良と発電機の小型化を図った．エレクトレットは厚さや作成条件によって保持できるエレクトレット表面の電荷量，及び電位（表面電位）が変化する．発電電力は表面電位の2乗に比例するため，エレクトレット厚さ，作成条件を変えて表面電位を比較したところ，最大2.7倍まで向上させることに成功した．また，植込型医療機器に搭載できるよう発電機構も半導体製造プロセスを利用して作成し，発電機を植込型医療機器に適用できるサイズまで小型化した．カエルの筋肉3.2 gを使用しこの発電機の正味電力を評価したところ，最大正味電力22.1 μWを達成し，提案する発電システムの実現可能性を示した．