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

植入式发电系统利用骨骼肌将葡萄糖转化为电能

• 批准号: 20J23398
• 负责人: 持田 匠
• 金额: $ 2.18万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23398/
• 关键词: 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

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．

ペ ー ス メ ー カ な ど の plant type 込 medical machine に お け る instead of power と し て, this study で は brawn を interface し て in vivo の sugar を electric 気 エ ネ ル ギ ー に variations in す る シ ス テ ム を proposal し て い る. こ の シ ス テ ム の be presently を refers し, 発 electric に optimum し た reinforcement 収 shrinkage movement と し て incomplete strong shrink を using し た resonant type 発 electric institutions を test case し た. Yesterday annual は plant type 込 medical machine へ の may apply が と な る よ う semiconductor manufacturing プ ロ セ ス を with い た small 発 motor の consummate gimmick を 検 for し, brawn の electric 気 stimulus に す seaborne る 収 shrinkage 応 answer を consider し た 発 motor の is taste power maximization gimmick を establish し た. Youdaoplaceholder0 を で で this year そ, establish the た design approach を use the て て to develop the motor を design · trial production た. ま ず principle 検 card と し て 発 electric institutions は 単 pure な machining を using し て し consummate, 発 electric element child で あ る エ レ ク ト レ ッ ト の み semiconductor manufacturing プ ロ セ ス で made し た. Make し た 発 motor で を raw body simulation environment power rating 価 test line を っ た と こ ろ 20.5 mu W の power を た. Design で は brawn を dynamic か す の に な necessary consumption power が 7 degree of mu W と trial さ れ て お り, plant type 込 の medical machine electricity consumption 10 mu W を last る こ と が to think さ れ た. そ こ で カ エ ル の brawn を using 4.4 g し, brawn へ の stimulus に to し た poor consumption power を し lead い た flavors power を review 価 し た as a result, the most-positive flavour power 13.6 mu W を reached し た. The に Zhengwei Electric Power <e:1> upward と plant 込 type medical machine へ <e:1> actual installation を target を, power generation element <s:1> improvement と power generation motor <e:1> miniaturization を picture った. エ レ ク ト レ ッ ト は thick さ や made conditions に よ っ て keep で き る エ レ ク ト レ ッ の ト surface charge, and び potential (surface potential) が variations change す る. 発 electric power は surface potential の 2 乗 に proportion す る た め, エ レ ク ト レ ッ ト さ thick, made conditions を - え て surface potential を compare し た と こ ろ, 2.7 times the largest ま で upward さ せ る こ と に successful し た. ま た, plant type 込 medical machine に carry で き る よ う 発 electric institutions も semiconductor manufacturing プ ロ セ ス を using し て し consummate, を 発 motor plant type 込 medical machine に applicable で き る サ イ ズ ま で miniaturization し た. カ エ ル の brawn を using 3.2 g し こ の の is taste 発 motor power を review 価 し た と こ ろ, the most-positive flavour power 22.1 mu W reach し を, proposal す る 発 electric シ ス テ ム の possibility be presently を shown し た.

项目成果

筋収縮モデルを用いた培養骨格筋アクチュエータの設計に関する研究

使用肌肉收缩模型设计培养骨骼肌执行器的研究

• 发表时间: 2021
• 作者: リュウキトウ;持田匠;土方亘
• 通讯作者: 土方亘

Contraction model of skeletal muscle capable of tetanus and incomplete tetanus for design and control of biohybrid actuators

用于破伤风和不完全破伤风的骨骼肌收缩模型，用于生物混合执行器的设计和控制

• DOI: 10.1299/jbse.22-00269
• 发表时间: 2023
• 期刊: Journal of Biomechanical Science and Engineering
• 作者: HIJIKATA Wataru;HAGIWARA Mutsuki;MOCHIDA Takumi;SUGIMOTO Wataru
• 通讯作者: SUGIMOTO Wataru

バイオアクチュエータに用いる骨格筋のモデルベース制御法の開発

开发用于生物执行器的基于模型的骨骼肌控制方法

• 发表时间: 2022
• 作者: K. Takehara;Y. Kato;T. Itaki;X. Zhao;Y. Suganuma;M. Ikehara;リュウ キトウ,持田 匠,土方 亘;久納源太;萩原 志皇,持田 匠,土方 亘
• 通讯作者: 萩原 志皇,持田 匠,土方 亘

Contraction model of skeletal muscle driven by external electrical stimulation &#8212;Proposal and Identification&#8212;

外部电刺激驱动骨骼肌收缩模型

• 发表时间: 2021
• 作者: Wataru Hijikata;Takumi Mochida;Jitong Liu;Wataru Sugimoto.
• 通讯作者: Wataru Sugimoto.

逆モデルを用いた骨格筋の収縮力制御

使用逆模型控制骨骼肌收缩力

• 发表时间: 2022
• 作者: 竹原 景子;西田 尚央;浦本 豪一郎;池原 実;Wakayama S et al.第２著者に該当;浅野駿一,持田匠,土方亘
• 通讯作者: 浅野駿一,持田匠,土方亘