論文

Cell agglomeration is essential both to the success of drug testing and to the development of tissue engineering. Here, a MHz-order acoustic wave is used to generate acoustic streaming in the wells of a 24-well plate to drive particle and cell agglomeration. Acoustic streaming is known to manipulate particles in microfluidic devices, and even provide concentration in sessile droplets, but concentration of particles or cells in individual wells has never been shown, principally due to the drag present along the periphery of the fluid in such a well. The agglomeration time for a range of particle sizes suggests that shear-induced migration plays an important role in the agglomeration process. Particles with a diameter of 45 mu m agglomerated into a suspended pellet under exposure to 2.134 MHz acoustic waves at 1.5 W in 30 s. Additionally, BT-474 cells also agglomerated as adherent masses at the center bottom of the wells of tissue-culture treated 24-well plates. By switching to low cell binding 24-well plates, the BT-474 cells formed suspended agglomerations that appeared to be spheroids, fully fifteen times larger than any cell agglomerates without the acoustic streaming. In either case, the viability and proliferation of the cells were maintained despite acoustic irradiation and streaming. Intermittent excitation was effective in avoiding temperature excursions, consuming only 75 mW per well on average, presenting a convenient means to form fully three-dimensional cellular masses potentially useful for tissue, cancer, and drug research.

Cellular aggregates that mimic cell–cell interactions in vitro are essential for biological research. This study introduces a method to form large scaffold-free 3-D aggregates in a clinically ubiquitous cell culture dish using kilohertz-order ultrasound standing wave trapping (USWT). We fabricated an aggregate formation system in which a 60-mm dish was set above a Langevin transducer via water. The transducer was excited at 110.8 kHz, and then C2C12 myoblasts were injected into the dish and trapped at the node position of the standing wave. The diameter and thickness of the formed aggregate were 8 and 2.7 mm, respectively, which are larger than those of aggregates formed previously by USWT. Moreover, we confirmed that >94% of cells constituting the aggregates survived 9 h, and the protein expression of cells was not altered significantly. This method can be applied to form aggregates with high functionality, which contributes to the development of biological research methodology.

Cell detachment is essential in culturing adherent cells. Trypsinization is the most popular detachment technique, even though it reduces viability due to the damage to the membrane and extracellular matrix. Avoiding such damage would improve cell culture efficiency. Here we propose an enzyme-free cell detachment method that employs the acoustic pressure, sloshing in serum-free medium from intermittent traveling wave. This method detaches 96.2% of the cells, and increases its transfer yield to 130% of conventional methods for 48 h, compared to the number of cells detached by trypsinization. We show the elimination of trypsinization reduces cell damage, improving the survival of the detached cells. Acoustic pressure applied to the cells and media sloshing from the intermittent traveling wave were identified as the most important factors leading to cell detachment. This proposed method will improve biopharmaceutical production by expediting the amplification of tissue-cultured cells through a more efficient transfer process.

円柱状振動子の縦振動と横振動を用いた多自由度超音波モータを実現した．すなわち，円柱の固有振動モードのうち振動方向が互いに直交し，縮退する縦振動と2つの横振動を適当な位相差をもって励振し，振動子先端に直交3軸回りの楕円運動を生成すると，振動子先端に接触した球状回転子は上記軸回りに多自由度回転される．本研究では，駆動原理の提案，有限要素法を用いた振動設計およびプロトタイプによる駆動確認を行った．

円柱状振動子の縦振動と曲げ振動を用いた多自由度超音波モータを実現した．すなわち，円柱の固有振動モードのうち振動方向が互いに直交し，縮退する縦振動と2つの曲げ振動を適当な位相差をもって励振し，振動子先端に直交3軸回りの楕円運動を生成すると，振動子先端に接触した球状回転子は上記軸回りに多自由度回転される．本研究では，駆動原理を提案し，プロトタイプによって原理を確認した．

本研究では，物体との接触／非接触によって力／位置のフィードバックが切り替えられるパッシブフォースフィードバック制御法を提案した．また，本制御法を用いて複雑な手指動作のテレオペレーションを実現する多指エクゾスケルトン型ハプティックデバイスを開発した．本デバイスは，操作者の指先端に接続したリンクとリンク根元部に配置されたクラッチから構成される．操作者に反力を提示する際にはクラッチによるリンク全体の固定とデバイス内の弾性要素の変形を利用する．

本研究では，複雑な手指動作のテレオペレーションの実現を目指して，多指エクゾスケルトン型ハプティックデバイスを開発した．本デバイスは，操作者の指先端に接続したリンクとリンク根元部に配置されたクラッチから構成される．操作者に反力を提示する際にはクラッチによるリンク全体の固定とデバイス内の弾性要素の変形を利用する．物体との接触／非接触によって力／位置のフィードバックが切り替えられるためビジュアルフィードバックを前提とした新たなテレペレーションの制御法も併せて提案した．

多自由度超音波モータは振動方向が互いに直交する3つの固有振動モードを組み合わせて球状回転子に任意軸回りの回転運動を生成する．すなわち，入力パラメータ7つに対して出力3つとなる冗長非線形性を有している．このため，所望の駆動状態を実現するための入力の組み合わせは複数存在する．このため，超音波モータに対する経験的所見とニューラルネットワークによる非線形写像を組み合わせて，所望の駆動状態に対して唯一の入力を決定する逆モデルを提案し，これを用いて多自由度超音波モータの駆動制御を実現した．

本研究では，力覚提示と視覚による変位のビジュアルフィードバックを組み合わせた新たなマスタ・スレーブシステムとその制御法を提案した．開発したマスタ／スレーブロボットはともに弾性要素有し，これらの変形によってオブジェクトや操作者に対して力を与える．原理上，マスタ・スレーブ間で力は等しくなるものの変位は異なるが，実験によって視覚フィードバックが存在する場合には，提案した手法によってオブジェクトの固さを操作者に提示できることを明らかにした．