2021年度日本機械学会賞（論文）受賞

培養骨格筋をアクチュエータとした泳動ロボットの作製

松下 和磨, 森本 雄矢, 竹内 昌治

日本機械学会論文集

DOI: 10.1299/transjsme.20-00180

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ロボットを筋組織で動かす？

「ロボット」と聞くと、読者の皆さんはどんなものを思い浮かべるだろうか？最先端のヒューマノイドロボットから市販の全自動掃除ロボットまでいろいろあるが、いずれもすべて機械材料から成るものを思い浮かべたのではなかろうか？対して本記事では、「ロボット」と名乗りながらも機械材料だけでは作りえない、「バイオハイブリッドロボット」と呼ばれるロボットに関する筆者の研究を紹介する。

バイオハイブリッドロボットとは、生体材料と人工物を組み合わせたロボットのことである^（1）。一口に組み合わせるといっても、嗅覚細胞をにおいセンサに、皮膚をボディに、筋組織をアクチュエータにするなど生体材料が担う役割もさまざまである。中でも筋組織をアクチュエータとするロボットとしては、筋組織のマイクロスケール・自己修復性・高パワー密度などの利点を活かすべく、把持・運搬・歩行・泳動などの動作が可能なロボットが作製されている^（2）。特に筋組織の活動が液中に限られることから泳動ロボットに関する研究が盛んであり、筆者らも筋組織をアクチュエータとした泳動ロボットの作製に取り組んだ。

ロボットにしては設計の自由度が低い？

しかし、筋組織をアクチュエータにして泳ぐなどという夢のようなロボット（と少なくとも筆者は思ったが）にはある課題があった。従来の泳動ロボットは摘出した生体の筋組織あるいは培養した心筋細胞をアクチュエータとしていたが、生体の筋組織を用いると個体差によって再現性に乏しくなり、心筋細胞を用いると周期的な自発収縮によってオンオフ制御ができなかったのである。これらの課題の解決には、個体差を小さくでき、オンオフ制御が可能となる培養骨格筋組織をアクチュエータとする必要があった。

一方培養骨格筋組織にも、組織両端部を固定するなどして培養中に生じる自発収縮に対抗する力を付加し続けないと収縮能力を失ってしまうという課題があった。そのため、従来の培養骨格筋組織をアクチュエータとするロボットは、筋組織収縮時のみ変形可能な剛性をもつロボット骨格の設計や一対の筋組織を拮抗させる配置などが必要であった。すなわち、筋組織の培養特性に合わせたロボット設計をせざるを得なかったのである。この事実を知った筆者の頭に、一つの疑念が浮かんだ。

「ロボット設計とは、まずロボット全体の構想があって、その構想に沿うようにアクチュエータを設計するのがあるべき姿ではないか？」

この疑念が、筆者の研究の出発点となったのである。

筋組織を扱うためには…

ではどうすれば筋組織によらないロボット設計ができるのだろうか？筆者の答えはシンプルで、ロボット骨格と別に筋組織を培養し、筋組織が作製できてからロボット骨格に移せば良いのである。この手法であれば筋組織の培養中の特性を気にする必要はない。しかし、この筋組織を移すというのがそう単純ではなく、cmスケールのものを、培養液中で、繊細に扱わねばならない。特に繊細に扱うというのが難しく、筋組織は少しのきっかけですぐに損傷・断裂してしまう。したがって、いかに筋組織に負荷を与えずに移し替えられるかがポイントであった。

そこで筆者らは、筋組織を保持するアンカを利用して、直接筋組織に触れず、単調な動きだけで筋組織を移し替える手法を提案した。提案した泳動ロボットの概要を図1に示す。筋組織を保持するアンカは突起部を、培養台とロボット骨格は突起部にはまる溝を有する。このとき、アンカをピンセットなどで押してスライドさせるだけで筋組織は培養台あるいはロボット骨格から着脱可能となり、筋組織への負荷を抑えながら筋組織をロボット骨格に移すことができる。

このコンセプトのもと、筆者らは作製した筋組織を培養台からロボット骨格に移し替えることでロボットが構築でき、さらに同一筋組織を複数種のロボット骨格に付け替えられることを確認した。結果、いずれのロボット骨格においても筋組織は収縮能力を発揮し、ロボット骨格の尾ひれを薄くすることで泳動ロボットが前進可能となることを見出した。これらの結果により、骨格筋組織の培養特性によらないロボット設計が可能であることが示唆され、筆者の疑念から生じた問いに対する一つの解を見つけることができた。今後、本手法が培養骨格筋組織をアクチュエータとするロボットの構築手法として広く活用されていくことが期待される。

図1　提案した泳動ロボットの概要　（A） 泳動ロボットのコンセプト図　（B） 作製した泳動ロボット

おわりに

本研究は筆者の学部の卒業研究として行われたものであり、バイオハイブリッドロボットなど聞いたこともないし、もちろん細胞も全く触ったことがないという状態から始めた研究であった。そんな中、筆者が日本機械学会賞をいただけるような成果を生めたのは、ひとえに竹内・森本研究室の皆様の多大なご協力があってのことである。ご協力いただいた皆様に、この場で深く謝意を表する。

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参考文献

(1) 森本雄矢, 竹内昌治, バイオハイブリッドロボット -培養組織のロボティクスへの応用-, 日本ロボット学会誌, Vol.39, No.4 (2021), pp.310-313.

(2) Lin, Z., Jiang, T., Shang, J., The emerging technology of biohybrid micro-robots: a review, Bio-Design and Manufacturing, Vol.5 (2022), pp.107-132

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＜正員＞

松下 和磨

◎東京大学 工学部〔現 旭化成（株）生産技術本部〕

◎専門：メカトロニクス、ソフトロボティクス