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．

在这项研究中，我们提出了一种系统，通过外部电刺激使骨骼肌不完全收缩，并根据收缩力发电。 2022财年，我们将开发骨骼肌收缩模型，其目的是诱发不完全强直收缩，并明确使刺激产生的电量与消耗的电量（净电量）之间的差异最大化的刺激条件。进行了鉴定。首先，当对骨骼肌施加外部电刺激时，直到向细胞供给电荷为止的现象被称为“电动特性”，钙离子根据细胞内的电荷而释放，并且收缩元件发挥作用力。使用数学模型，将力施加之前的现象表示为“生理特征”，并将收缩要素施加力之前的现象通过骨骼肌的粘弹性外部表达被称为“机械动态特性”。确实如此。此外，我们使用非洲爪蛙的腓肠肌确定了所提出的模型，并证明它可以准确地再现不完整的强直状态。此外，在上述模型中添加了肌肉疲劳模型。肌肉疲劳模型具有收缩要素： 1.无疲劳/活跃，2.疲劳/活跃，3。没有疲劳/不活跃，4。它分为疲劳和非活动四种状态，每种状态之间的转变根据刺激强度用微分方程表示，并考虑疲劳恢复。最终的肌肉收缩模型（还包括肌肉疲劳模型）被证明与非洲爪蟾的肌肉收缩力波形非常吻合，非洲爪蟾反复刺激 60 秒，然后休息 60 秒。未来我们计划基于该模型对整个发电系统的发电量进行优化设计。