Implantable power generation system using incomplete tetanus of muscles to convert glucose into electricity

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本研究では骨格筋を外部電気刺激によって不完全強縮させ，その収縮力をもとに発電するシステムを提案している．２０２２年度は，不完全強縮を誘発し，かつ発電電力量と刺激に要する消費電力量の差（正味電力量）が最大となる刺激条件を明らかにすることを目的に，骨格筋収縮モデルの構築と同定を実施した．まず，骨格筋に外部電気刺激を与えた際に，細胞内に電荷が供給されるまでの現象を「電気的動特性」，細胞内電荷に応じてカルシウムイオンが放出され，収縮要素が力を発揮するまでの現象を「生理学的特性」，収縮要素発揮力が骨格筋の粘弾性を介して外部に発現するまでの現象を「機械的動特性」」として，各々の特性を数理モデルで表現した．さらに，アフリカツメガルの腓腹筋を用いて提案モデルの同定を行い，不完全強縮状態も精度よく再現可能であることを実証した．さらに，上記モデルに筋疲労モデルも加えた．筋疲労モデルは収縮要素を，１．疲労なし・アクティブ，２．疲労あり・アクティブ，３．疲労なし・ノンアクティブ，４．疲労あり・ノンアクティブの４状態に分類し，刺激強度に応じた微分方程式で各状態が遷移する様子を表現した形となっており，疲労の回復も考慮している．筋疲労モデルも加えた最終的な筋収縮モデルは，６０秒間の連続刺激と６０秒間の休憩を繰り返したアフリカツメガエルの筋収縮力波形とよく一致することを実証した．今後は，本モデルに基づいて，発電システム全体の発電量最適設計を実施する予定である．