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

利用肌肉不完全破伤风将葡萄糖转化为电能的植入式发电系统

基本信息

批准号：
22K18748
负责人：
土方亘
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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．

这项研究提出了一个系统，该系统通过外部电刺激不完全增强骨骼肌，并根据骨骼肌的收缩力产生电力。在2022财年中，我们构建并确定了骨骼肌收缩模型，目的是阐明刺激条件，这些刺激条件会引起不完全的增强，并最大程度地提高了产生的电量差异以及消耗的刺激能量量（净功率）。首先，当将外部电刺激应用于骨骼肌时，通过电荷供应到电池中的现象是“电动力学”，是“电动动力学”，即响应细胞内电荷和收缩元件的响应钙离子的现象，并且使用骨骼弹性的骨骼固有型模型和表达了骨骼的表达方式，并且是表现出的，并且是表达的。此外，我们使用Xenopus gal的胃癌确定了提出的模型，表明可以准确地复制不完整和增强的状态。此外，已将肌肉疲劳模型添加到上述模型中。肌肉疲劳模型包括收缩元素，1。无疲劳/活动，2。疲劳/活动，3。没有疲劳，没有主动，4。将结果分为四个状态：疲劳和非活动性，并根据刺激强度表示为微分方程，并考虑了疲劳的恢复。我们证明，最终的肌肉收缩模型（还包括肌肉疲劳模型）与Xenopus的肌肉收缩力波形非常吻合，Xenopus的肌肉收缩力波反应重复了60秒的连续刺激和60秒的静止。将来，我们计划基于此模型为整个发电系统实施最佳的发电设计。