共同研究・競争的資金等の研究課題

限界値の定理では、単独で振る舞う個体の最適な採餌行動を予測している。しかし、実際には多くの動物種の採餌行動が、同種他個体との個体間相互作用に左右されることが知られている。海洋での採餌と巣のある島での雛への給餌を繰り返す海鳥であるオオミズナギドリをモデル種として、バイオロギングとリアルタイム生理情報収集システムを駆使して、時空間的に変動する海洋環境の中でいかにして効率的な採餌を達成し、同じ餌資源を巡る同種他個体がいる状況でいかに振る舞っているのかを明らかにする。

本研究では、動物の体に計測機器を取り付けるバイオロギングの手法を用いて、海洋高次捕食動物（海生哺乳類、海鳥、ウミガメ類、大型魚類）が人為起源の海洋環境ストレッサーにどのような影響を受けているかを調べる。代表的な5種のストレッサー（水温上昇、海氷減少、貧酸素化、海洋汚染、海中騒音）に対し、研究にふさわしい動物を選んで機器を取り付け、行動、生理、周囲の環境を詳細に計測し、解析する。

術中顔面神経持続モニタリングとして、側頭骨内に留置する最適な刺激電極形態を検討し、刺激電極のプロトタイプを作成する。また、術中顔面神経反応により術後顔面神経機能を予測するカットオフ値の制定を目指す。さらに、蝸牛神経モニタリングのための蝸牛内刺激電極からの至適刺激条件を検討し、術中eDNAP反応と術後人工内耳装用閾値との関連を検討する。

本研究では、海鳥に取り付け可能なピトー管型の防水流速センサによる計測システムを創成する。研究開発したシステムを利用し、GPSから得られる対地速度と組み合わせることで、バイオロギングによる実際の海鳥の飛行中の対地速度ベクトル、対気速度、風速ベクトルを明らかにすることを目指す。

本研究では、普及の決め手に欠けるフレキシブルエレクトロニクスの現状を打破する「次世代のフレキシブルエレクトロニクスの基盤技術」の確立を目的として、３つの研究項目、A:「極薄Si半導体素子とフレキシブルエレクトロニクスの融合」、B:「レーザー誘起グラフェンによる金属を用いない配線・センサ・アクチュエータ形成技術」、C:「Auxetic Structureによる伸張性と強度を両立したシート型フレキシブルデバイスの実現」を設定し、次世代のフレキシブルエレクトロニクスのための基盤技術の創成に取り組む。

本研究は、MEMSとサンプリングモアレ法を組み合わせることにより、生物の運動に伴う力のベクトルを高力分解能かつ高時間分解能で計測でき、かつ作りやすく使いやすく普及しやすい力センサプラットフォームを創成する。具体的には、人の歩行時の足裏反力分布をフォースプレートアレイで、海洋生物の遊泳時の対水速度ベクトルを流速センサで、昆虫の羽ばたき飛翔時の飛翔力を6軸センサプローブで計測することを目指す。

本研究ではMicroElectroMechanical Systems (MEMS)の基本プロセスの1つであるフォトリソグラフィにおいて、紫外線硬化材料の硬化前後の屈折率の変化を利用した3次元微細構造を製作する方法論の確立を目指した。作製においては、紫外線硬化材料で生体適合性のあるPolyethylene Glycol Diacrylate (PEGDA)を用いた。屈折率の変化によって、照射される紫外線は材料の中を直進せず屈折し、3次元的な構造が製作される。マイクロニードルやマイクロ吸盤などの機能的な3次元微細構造の設計・製作を理論及び実験の両面から研究を遂行した。 近年、マイクロ吸盤やマイクロニードルなど、有用な機能を持つ微細構造デバイスの研究開発が盛んである。こういった構造を作製するためは、微細構造をアレイ状に多数並べる必要があり、MEMSのフォトリソグラフィが作製に最も適した方法の1つであると考えられる。これらは形状によって機能・性能が大きく向上することが知られており、より3次元的で複雑な形状により、高機能・高性能である可能性がある。本研究で提案したフォトリソグラフィを利用することで、これらのような3次元的な構造の実現に貢献できると考えられる。

細胞に対して力学的刺激を定量的に再現性よく加えることが可能な3軸ピエゾ抵抗型MEMSカンチレバーの研究開発を行った。カンチレバーはSOI基板上で製作され、カンチレバーの表面及び梁の側面にピエゾ抵抗層を形成することで、3方向の歪みを同時に検出可能となるよう設計した。3軸方向それぞれに対して、1 μN以下の分解能で力を独立して計測可能なデバイスを実現した。

市販のコラーゲンビトリゲル膜付きカルチャーインサートを組み合わせ可能なマイクロ流路を実現し、ビトリゲル膜上で培養した細胞に培養液の流れを負荷することで、生体における血流にともなうメカニカルな刺激を再現することに成功した。この培養液の流れによる模擬血流刺激により筋線維や血管内皮細胞からなる共培養組織の形態が変化することを明らかにした。さらに、肝癌細胞と血管内皮細胞からなる共培養組織におけるアルブミン産生量ならびに模擬血流へのアルブミン移行量といった機能が変化すること見出し、提案のマイクロ流路システムが血管構造モデルとして有用であることを示した。 薬剤開発や疾患メカニズムの解明に主に用いられる動物実験では、ヒトと動物との種差から適用可能な疾患や組織に限りがあった。一方、ヒト細胞を用いた実験では、異種の細胞間の相互作用の再現が困難であり、細胞間相互作用に基づく物質移行性を評価できなかった。本研究で実現したマイクロ流路システムは、異種の共培養組織を有する血管構造モデルの創出を可能にするだけでなく、模擬血流にともなう細胞の形態や機能の再現も可能であることも示している。よって、本技術は体外での薬剤効能評価や病態解析においてパラダイムシフトを生み出す意義深い成果であると考えている。

ウミガメやペンギンなどの海洋動物は海流を巧みに利用し、“追い風”ならぬ“追い海流”によって遊泳運動の消費エネルギーを抑え効率よく目的地まで到達していると考えられており注目されている。本研究では、海洋動物に取り付け可能なピトー管型の流速センサを開発し、バイオロギングを用いて海流速度を知るうえで重要となる対水速度を明らかにすることを目指す。 ウミガメやペンギンなどの海洋動物は海流を巧みに利用し、遊泳運動の消費エネルギーを抑え効率よく目的地まで到達していると考えられており注目されている。この海流利用を評価する上で重要となるのが対水速度であるが、海洋動物の実測例は非常に限定されている。本研究の目的は、海洋動物に取り付け可能なピトー管型の流速センサを創成し、バイオロギングを用いてこれら海洋動物の対水速度を明らかにすることである。 提案する流速センサは、ピトー管の筐体、動孔及び静孔に取り付けたメンブレン構造、内部に充填した非圧縮性のオイル、及び差圧センサ素子から構成される。令和3年度においては、当初の計画にあるピトー管型の水中流速センサの改良を進めた。前年度までと比較して小型かつ流線形形状にすることで、ウミガメなどに取り付けた時により取り付けた影響を抑えられる構造とした。またセンサの内部には非圧縮性のオイルが充填されているが、このオイルの量を減らすような構造とすることで壊れにくくした。さらにセンサ出力をアナログ出力からデジタル出力も可能な構成にすることで、ロギングシステムとより簡易的に接続可能な構成とした。 本研究ではピトー管型のセンサ構造を研究開発しているが、発展的な構造として流速及び角度が計測可能なセンサ構造を設計・試作した。また流速センサの校正において、角度に対する応答をステージを用いて自動化するセットアップを構築した。また水中ドローンで実験する準備を進めた。 令和3年度においては、ロギングシステムと電気的に接続可能な仕様を満たす流速センサの研究開発ができたため、順調に進展していると判断した。 前年度までに研究開発したセンサとロギングシステムの物理的な位置関係について最適な位置を実際の実験を行う上で決定する。センサとロギングシステムとつなぐ配線についても十分な防水機能を持たせる。ロギングシステムと統合したシステムでの流速に対する校正実験ができるようにセットアップを構築し、またウミガメ以外にも水中ドローンを用いて、センサシステムの評価を行う。取得した流速データと映像データから解析を進めていく。

本研究で提案する計測システムは、マイクロスプリング、プレート、レーザー変位計から構成される。高性能の3Dプリンタを利用して、壊れにくく、かつ柔らかいマイクロスプリングを実現する。マイクロスプリングが支えるプレート上に昆虫が乗った際、プレートの中心の変位をレーザー変位計で検知することでマイクロニュートンオーダの足裏反力を計測する。昆虫に合わせて、マイクロスプリング及びプレートを製作することで、計測対象にあったフォースプレートを実現できる。 本研究では、微小昆虫であるショウジョウバエを計測対象として、特化したフォースプレートの設計・試作・計測システムを構築する目的とする。計測システムでは、プレートの垂直方向の変位を下部に配置したサブミクロンの分解能を持つレーザー変位計で検知し、事前に測定したフォースプレート全体のばね定数からフックの法則から足裏反力を測定する。 令和3年度においては、3Dプリンタで一体化して製作したプレートの四隅をマイクロスプリングで支える構造に製作したフォースプレートに加え、平面スパイラル構造によるフォースプレートを研究開発した。プレートは完全に平面構造であり、直径6 mmの円形のプレートに対し、四つのスパイラル状のばね構造が干渉せずに接続する。両デバイスは従来のフォースプレートよりも製作手順が簡単で、変位を力に変換するため局所的なひずみは小さく堅牢性を実現した。また本研究では測定点のプレート中心からのずれを特定、およびばね定数のばらつきを考慮し、荷重位置に対する測定反力の誤差を理論的にゼロにする測定点へ変位計を移動させるキャリブレーション法を構築した。実際に提案したキャリブレーションにより、レーザー変位計の検出値の位置誤差を立体コイルばね型フォースプレートでは約±10%から±1.5%に低減し、平面コイルばね型フォースプレートでは約±25%から±5%に低減することを確認した。 またフォースプレートをキャリブレーションした後にショウジョウバエの足裏反力測定実験を行い、歩行時にほとんど振動がないという特徴を明らかにした。 当初計画した通り、マイクロスプリング構造のフォースプレートを製作し、ショウジョウバエの歩行時の足裏反力を計測した。さらに平面スパイラル構造のフォースプレートを研究開発するなど、順調に研究が進んでいると判断できる。 昨年度得られた知見を基にフォースプレートの設計・製作の最適化を目指し、分解能が最小となる高感度なフォースプレートを目指す。またフォースプレートで計測した応答から、足裏反力や体重など有用な知見を得る。

本研究では、切り紙構造を利用することで、光学的な特性を大幅に変調可能なMEMS光学メタマテリアルを実現する。光学メタマテリアルにおいて、従来から光共鳴構造の3次元形状変化や、フレキシブル基板の引っ張りによる共鳴体の配置間隔変化を利用した動的特性変調方法が研究されているが、限界があり実用的なデバイスに必要な変調機能は得られていない。そこで、2次元平面から立体構造を自由度高く作ることができる切り紙構造と融合し、構造的な制約をなくし、可変自由度が飛躍的に高い光学メタマテリアルを実現する。薄型可変レンズ、可変偏光モジュレータ、大面積可変ホログラムなど、強力な光操作デバイスを実現する基礎技術を確立する。 本研究では、切り紙構造を利用することで、光学的な特性を大幅に変調可能なMEMS光学メタマテリアルを実現することを目的としている。光学メタマテリアルにおいて、従来から光共鳴構造の3次元形状変化や、フレキシブル基板の引っ張りによる共鳴体の配置間隔変化を利用した動的特性変調方法が研究されているが、限界があり実用的なデバイスに必要な変調機能は得られていない。そこで、2次元平面から立体構造を自由度高く作ることができる切り紙構造と融合し、構造的な制約をなくし、可変自由度が飛躍的に高い光学メタマテリアルを実現すための基礎技術を確立することを目的として実施する。 本年度は本年度はポリイミドフィルムなどを用いた、レーザー加工によるラージスケールでのユニット構造自由度拡張の検証を行うこと、そして、基板への切り紙加工によりAuxetic構造など、引っ張りに対して自由度高く新調する構造を試作することを計画していた。まず、前者について、同心円状の周期的な切り込みを持つ切り紙構造による面外変形の特性評価を行った。梁幅および切り込み長さを決める中心角が異なる試験片を作製し、面外変形を計測した結果、ドーム型、円錐型、先鋭型といった異なる面外変形の分布とできることを明らかにした。後者については、Auxetic構造の予備的な構造として、立体変形後の形状の勾配を調整可能な切り紙メタマテリアル構造について取り組んだ。構造的特性の評価として、切り込みの大きさを変えた複数のデバイスを製作し、それぞれの面外方向における外力に対する変形量を測定したところ、切り込みを大きくすることで変形量を増大させることが可能であるとわかった。さらに、切り込みの大きさを同一構造内で場所により変化させることで、本研究の目標に設定した変形形状の調整である、構造内で変形しやすい領域と変形しにくい領域を製作することが可能であるとわかった。 ラージスケールで予備的な検証が順調に進んだといえる。 今後は、検証した切り紙構造の知見を、小型MEMS構造の加工に適用することで、新規な光学素子を実現できないかどうか、探索を進める予定である。

聴神経腫瘍患者の聴力予後改善に向けて、蝸電図の術中聴覚モニタリング応用に向けた新規電極の開発、および機械学習を用いた聴性脳幹反応、蝸電図波形の客観的かつ正確な判定法の開発、の2つを柱とする新規聴覚誘発電位検査法の開発を目指す。さらに、既存の聴覚モニタリング法と組み合わせて術中の聴覚機能低下を早期に検出するアルゴリズムの作成による世界最高の術中聴覚モニタリング法の確立、また検査波形の正確な判定から聴力予後をより正確に予測するアルゴリズムの作成を目指す。聴覚障害によって大きくQOLが損なわれた患者が多数存在する聴神経腫瘍臨床の現状を変革する。 １）現行使用可能な電極を用いて、外来での蝸電図測定の症例を積み重ね、より精度の高い波形が得られる工夫を重ね、その成果を日本聴覚医学会学術講演会（2021年11月、東京）で発表した。そして、蝸電図を用いた聴神経腫瘍手術中の術中聴覚モニタリングを複数の症例で施行した。それらの症例において、聴性脳幹反応の特にⅠ波に着目して、Ⅰ波による内耳機能のモニタリングと、蝸電図によるモニタリングを併用することで、蝸牛反応の持続測定を試みた。その結果と、ＡＢＲのⅤ波およびＤＮＡＰ反応による脳幹由来の反応を組み合わせることで、術中の聴覚反応を厳密に測定することを心がけた。その結果として、極めて高い術後の聴力温存率を達成できるようになり、現在術中の様々な聴覚反応と術後聴力予後との関連を詳細に検討している。 ２）新規蝸電図電極の開発に向けて、必要な材料を集め、試作品の作成を試み、1年目は基礎的なデータの積み重ねを行った。 ３）800例を超える当科通院中の聴神経腫瘍患者のデータベースを作成し、主に未治療の患者400例弱を対象に初診時の純音聴力検査、語音聴力検査、ＡＢＲ，ＯＡＥのデータの詳細をデータベース化した。それらの聴覚データと、年齢や腫瘍径などとの相互関係を検討し、また聴力や腫瘍の予後との関連などにつき、現在解析を進めている。その成果は、日本耳鼻咽喉科頭頸部外科学会学術講演会（2022年5月、神戸）での発表を予定している。 蝸電図を用いた術中聴覚モニタリング症例の積み重ね、外来での蝸電図測定、多数の症例のデータベース化、新規電極の作成にむけた試作品の作成など、いずれもほぼ当初の予定通りに順調に進展している。 2年目に予定していたＡＩを用いた機械学習は、より簡便なパターン認識のプログラム作成の方が適している可能性があると現在は考えられ、いま解析中のデータに基づいて、2年目以降の方向性につき必要に応じて変更を行う予定である。その他の研究計画に関しては、当初の予定通りに遂行していく。

THz周波数帯における振動円偏光二色スペクトル計測の実現のために、円偏光と強力に共鳴する3次元形状のキラル光共鳴体構造をMEMS可変メタマテリアルを形成した。目的達成には、MEMS可変メタマテリアルを大変形する必要があるため、従来課題であった安定的な大変形方法の生成に中心的に取り組んだ。安定的な大変形方法の実現のために、変形方法由来の不安定性の除去とシリコンの優れた変形特性に着目し、シリコン基板に製作したらせん構造を機械的に引っ張り上げる駆動方法を着想した。大変形を可能とする構造の設計製作、そして、機械的駆動法による変形量と変形形状について検証し、製作した構造での応答を計算により明らかにした。 THz周波数帯は、近年大きな注目を集めている電磁波の周波数帯である。THz周波数帯には多くの分子の振動吸収が存在するが、とくに左右円偏光に対する吸収特性の差である振動円偏光二色性スペクトル（VCD）は、ヘリックス構造など分子構造のキラル構造の情報をもたらすことが知られている。したがって、THz周波数帯において、物質の振動円偏光二色スペクトル計測技術が確立すれば、THz光の長い波長を生かして、タンパク質など大型の3次元分子構造を、結晶化せずに計測できることが期待される。本研究は、これまで微弱であり計測が難しかったTHz VCDの信号増強を行う素子の作製であり、優れた分光方法の確立に貢献する。

本研究課題では、ヘルムホルツ共鳴器を並列に繋げた素子による音響フィルタの研究を行い、特定の音を通さない周波数特異性を持つ音響カーテンにつなげる。そのため、ヘルムホルツ共鳴器の配置と消音効果の関係を、シミュレーションにより解析し、フィルタ素子を試作し、透過特性を定量的に評価した。シミュレーション結果からノッチ周波数における透過率を低くするためにはヘルムホルツ共鳴器を面内均一に配置することが重要であることを明らかにし、実験結果もシミュレーション結果と同様の特性を示すことを確認した。