共同研究・競争的資金等の研究 - 脇元 修一
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人工知能×人工筋肉：操作系・ハード系の機能改善
2024年06月 - 2025年02月
岡山県 令和6年度特別電源所在県科学技術振興事業 受託研究
脇元修一
担当区分：研究代表者
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3Dプリンティング技術による機能性材料複合空気圧ソフトアクチュエータの開発
研究課題/領域番号：23K03644 2023年04月 - 2027年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
脇元 修一
配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）
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ひも製造技術を応用したセンサ複合ソフトロボットフィンガの開発補助事業
2023年04月 - 2024年03月
公益財団法人JKA 2023年度機械振興補助事業 研究補助
脇元修一
担当区分：研究代表者
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紐製造技術を応用した高機能集積人工筋肉メカニズムの開発
2021年06月 - 2022年02月
岡山県 令和3年度特別電源所在県科学技術振興事業 受託研究
脇元修一
担当区分：研究代表者
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大腸内視鏡挿入支援を実現する空圧駆動高柔軟ラバーアクチュエータの開発
研究課題/領域番号：21K12727 2021年04月 - 2026年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
原田 馨太, 脇元 修一
担当区分：研究分担者
配分額：4160000円 （ 直接経費：3200000円 、 間接経費：960000円 ）
我が国は大腸癌の罹患数が増え続けている。その原因の一つに大腸内視鏡の受検率が低いことが挙げられている。大腸内視鏡検査は苦痛であるということが受検率を下げている大きな理由である。そこで本研究では、挿入する内視鏡自体に自走機能を持たせて、患者の苦痛軽減に寄与する内視鏡システムを開発する。医学部と工学部が連携した取り組みで医工連携により、術者の技量によらず、患者にとって苦痛の少ない安全な内視鏡を実現することを目的としている。
安全で自走機能を有する大腸内視鏡の実現のためシリコーンゴム製のバルーンを用いて，低圧で駆動可能かつ，従来の内視鏡に装着可能な大腸内視鏡挿入支援用のアクチュエータを開発している。
本年度は，三つのバルーンを2層で配置した構造のアクチュエータを考案し，その検証モデルの設計と試作を行った。下層に配置した二つのバルーンと上層に配置した一つのバルーンに位相差をもたせて周期的に空気圧を印加し，各バルーンを膨張変形させることで，上層バルーンの上端部で人の歩行時の立脚相と遊脚相に相当する変形を励起する。このアクチュエータを内視鏡に取り付けて駆動させることで，内視鏡に推進性能を付与するアイデアである。液状シリコーンゴムを用いた型成形によりバルーンを製作し，三つのバルーンを接合することで機能検証用のアクチュエータを製作した．製作したアクチュエータの上端部の位置変位を計測した結果，10kPa以下の低圧の空気圧印加によって立脚相と遊脚相の状態が実現できていることを確認した． -
義手認識機能を持ち巧緻動作が可能な小児用前腕動力義手の開発
研究課題/領域番号：21K11203 2021年04月 - 2024年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
谷口 浩成, 脇元 修一, 森永 浩介
担当区分：研究分担者
配分額：4160000円 （ 直接経費：3200000円 、 間接経費：960000円 ）
本研究の目的は，提案する小児用動力義手を実用レベルに発展させることを目指し，把持動作に加え巧緻動作が可能であり，義手認識機能を備えた動力義手を開発することである．研究期間の前半は，巧緻動作を実現するために義手ユーザが義手を認識することを可能とする感覚フィードバックシステムの開発と，義手を操作する義手制御インターフェースの開発を行う．そして，研究期間の後半では，動力義手の操作性や耐久性などを総合的に評価し，その結果を踏まえて改良する．これらの内容により，提案する動力義手システムを実用レベルまで発展させる．
2021年度は，感覚フィードバックシステムの開発と，義手を操作する義手制御インターフェースの開発を行った．感覚フィードバックシステムの開発では，感圧センサによる把持情報の入力手法の検討と，把持情報を体にフィードバックさせる出力装置に用いる空気袋を試作した．フィードバック装置の特性評価試験結果により，印加圧力が100から350kPaで締め付けを認識しやすいことを確認した．つぎに，義手制御インターフェースの開発では，義手の指の開閉速度を制御する方法を検討し，細径マッキベン型人工筋肉の流量制御を可能とするスピードコントローラを義手前腕内部に搭載した．また，筋電センサを用いた義手の制御システムを検討して，義手前腕内部に内蔵するための制御基板を製作し，電磁弁とともに内蔵できるように義手の構造を変更した．前腕欠損女児に足して筋電センサによる義手制御システムの動作確認を実施したところ，現状のシステムでは，ライナーやソケットとセンサが干渉するため義手への装着が困難であることがわかった．また，小児は筋肉量が少なく筋電センサの測定値が不安定で，安定的に取得するための工夫が必要であることが明かとなった． -
IPMCセンサを統合した空気圧ソフトフィンガの開発
2021年04月
財団法人油空圧機器技術振興財団 研究助成金
脇元修一
担当区分：研究代表者
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製紐技術を基盤としたスマート人工筋の実現とソフトロボットメカニズムへの応用
研究課題/領域番号：20K04240 2020年04月 - 2023年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
脇元 修一
担当区分：研究代表者
配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）
柔軟材料から構成されるソフトロボットの開発が盛んになってくるとともにソフトアクチュエータの高機能化への期待が高くなっている。研究代表者は空気圧駆動のソフトアクチュエータであるMcKibben型人工筋をベースとし、これにセンサを一体化したスマート人工筋を開発している。スマート人工筋は、アクチュエータとしての構成要素である繊維の一部を光ファイバに置き換えることで実現できる。光ファイバは製紐機（せいちゅうき）と呼ばれる装置を用いることで人工筋の製作プロセスと同時に複合させることが可能である。本研究では、収縮型・湾曲型のスマート人工筋の製作手法の確立や特性の改善を行い、それぞれソフトロボットアーム、ソフトロボットハンドへ適用することで有効性を示す。
2021年度に実施した研究は下記となる。
収縮型スマート人工筋に関しては、ソフトロボットアームの要素機構として前年度に試作した収縮型人工筋を並列接合した湾曲メカニズムの基礎特性を実験的に計測した。２本の収縮型スマート人工筋に複合された光ファイバセンサの差分をとることで湾曲方向・湾曲量が推定できる可能性を示した。一方で、収縮型の人工筋に湾曲変形を生じさせる本機構では人工筋の耐久性に問題がみられた。人工筋のスリーブを2重構造にする新たな構造を導入することでこれを解決した。湾曲型スマート人工筋に関しては、光ファイバ表面の加工幅を変えながら湾曲量に対するセンサ出力の線形性が高くなる加工条件を実験的に明らかにするとともに、湾曲型スマート人工筋をフィンガとしたロボットハンドを構築し、その駆動を確認した。 -
細径マッキベン型空気圧人工筋肉を用いた前腕欠損児のための動力義手の開発
研究課題/領域番号：18K10694 2018年04月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
谷口 浩成, 脇元 修一, 森永 浩介
担当区分：研究分担者
配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）
本年度は，昨年度までの研究状況を踏まえて，小児用動力義手の改良を行い，義手の基本性能評価およびユーザ評価を実施した．義手の改良において，使用しているアクチュエータの構成とサイズを変更した．その結果，昨年度のアクチュエータと比較して約2倍の発生力を実現し，性能を向上させることができた．次に，義手に用いる装飾用グローブと義手モデルとの適合性を向上させるために，義手の指および掌の形状変更を行った．これにより，装飾用グローブと義手との間の余分な隙間がなくなり，動作の改善が確認できた．また，拇指の関節構造を修正することにより，関節の可動域を調整した．これらの改良により，直径40ｍｍの円柱把持における義手の指先発生力は，昨年度試作した義手と比較して約4倍の発生力を実現した．
本年度に新たに改良し試作した義手の基本性能評価として，ボール，直方体，ドライバー（工具），カメラバックなどの物体把持実験を行った．その結果，様々な大きさおよび重量の物体に対して把持できることが確認された．ユーザ評価試験では，健常な20代の男性5名と，12歳と9歳の女児各1名ずつに対して，大阪工業大学ライフサイエンス実験倫理委員会の承認を得て（承認番号:2019-17）実施した．健常な上肢にハーネスを介して義手を取り付け，前腕部の筋電信号を取得し本年度試作した義手と昨年度試作した義手の2種類を操作してもらった．評価機器としてSHAPを使用し，物体移動に要する時間の測定を実施した．6種類の形状の物体それぞれに，金属製のものと木製のものがあり，形状に差異は無いが重量が異なる12種類の物体を移動させた．実験結果より，本年度試作した義手では，タスク全体の75％において昨年度試作した義手よりも優位性が認められた．しかし，女児を対象に試験を行う中で，義手本体の重量が重いという課題が明らかとなった． -
研究課題/領域番号：17K06121 2017年04月 - 2020年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
脇元 修一
担当区分：研究代表者
配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）
農業・医療・福祉などの分野では、柔らかく安全性の高いソフトロボットが求められる。ソフトロボットの利便性を向上させる方法の一つとして、その駆動源として利用される空気圧人工筋の機能性を向上させる手法が挙げられる。本研究では、機能性繊維を複合することでセンサ機能を有する人工筋や駆動形態を可変にできる人工筋を開発した。前者では人工筋の駆動状態の推定を、後者では一つの人工筋で収縮や湾曲などの複数の動作をそれぞれ実現した。
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研究課題/領域番号：26249028 2014年04月 - 2019年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A) 基盤研究(A)
鈴森 康一, 脇元 修一, 安積 欣志, 北脇 知己
担当区分：研究分担者
配分額：34840000円 （ 直接経費：26800000円 、 間接経費：8040000円 ）
しなやかで「生き物らしい」特性を持つロボットを実現するには，十分な収縮能力を持ち，集積して超多自由度機構を駆動できる「人工筋」の実現が不可欠となっていた．
本研究では，①「電気駆動」と「多線維構造」を特徴とする「次世代マッキベン人工筋」を実現し，②「筋骨格ロボット機構」に適用してその可能性を実証した．具体的には，①についてはMcKibben型人工筋に着目し，水の化学反応を利用した新駆動法と細径化により，人の筋肉に近い形態と特性を持つ人工筋を実現した．②については，これを筋骨格ロボットとパワースーツに適用し，人と類似した運動/力特性の実現と，身体にフィットするパワーサポートの実現を実証した． -
研究課題/領域番号：26420199 2014年04月 - 2017年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
脇元 修一, 三隅 潤平, 後藤 佳輔, 土井 俊幸, 森 和也
担当区分：研究代表者
配分額：5070000円 （ 直接経費：3900000円 、 間接経費：1170000円 ）
空気圧駆動のラバーアクチュエータであるMcKibben型アクチュエータは，高出力，軽量，柔軟などの特長から人工筋肉として高い可能性を有する。本研究では細径のMcKibben型アクチュエータを集積することで柔軟なロボットアームを開発した。本ロボットアームはタコの腕の筋肉配置を模倣した構造であり，また，アームは柔軟な高分子材料のみで構成されている。
駆動実験を実施し，本ロボットアームが湾曲・収縮・ねじれの多自由度な動作，および剛性変化が実現可能であることを確認した。 -
心筋細胞内小器官の機械感受性と動的心筋バイオメカニクスの関係
研究課題/領域番号：23300167 2011年04月 - 2014年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B) 基盤研究(B)
入部 玄太郎, 脇元 修一, 成瀬 恵治
担当区分：研究分担者
配分額：18720000円 （ 直接経費：14400000円 、 間接経費：4320000円 ）
我々はこれまで心筋細胞の伸展刺激によってカルシウムスパーク（筋小胞体カルシウム放出チャネルであるリアノジン受容体からの局所的で自発的なカルシウム放出現象）頻度が増加することを報告してきた。これまでこの現象には細胞膜上のNADPHオキシダーゼ由来の活性酸素が関わっているとされてきたが、今回の研究により、この現象は伸展刺激によるミトコンドリアからの活性酸素産生上昇がリアノジン受容体を刺激することによるものであることが明らかとなった。
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研究課題/領域番号：23760137 2011年 - 2013年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
脇元 修一
担当区分：研究代表者
配分額：4290000円 （ 直接経費：3300000円 、 間接経費：990000円 ）
空気圧によるラバー構造体の変形を出力として利用するアクチュエータは空圧ラバーアクチュエータと呼ばれ，軽量・柔軟・低価格といった特長を有する．本研究では空圧ラバーアクチュエータへのセンサの搭載，およびアクチュエータの小型化を実施した．軸方向への収縮変位，および湾曲変位を発生する2種類の異なる空圧駆動ラバーアクチュエータを対象とし，各々の小型化に成功するとともに検出原理の異なるセンサの搭載を達成した．
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研究課題/領域番号：22246019 2010年04月 - 2014年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A) 基盤研究(A)
鈴森 康一, 脇元 修一
配分額：47060000円 （ 直接経費：36200000円 、 間接経費：10860000円 ）
ゴムなどの柔らかい材料を用いたソフトメカニズムにおいて，ゴムの表面にサブmm～数μm程度の微細な構造物を形成すると，様々な機能的な物理特性をもたせることができる．本研究はここに着目し，ソフトメカニズムに機能性表面修飾を行った．
(1)光学特性に関しては，ソフトロボット表面に1～2μmピッチの回折格子を成形し，ロボットの動作や応力を色分布で視覚的に把握した．(2) 親水／撥水特性に関しては，微細物をハンドリングするマイクロロボットハンドの表面の吸着制御に応用し，微細物のハンドリングが安定して行えるようになった．(3)マイクロ吸盤に関しては，異方性の吸着特性，凸凹表面への吸着を実現した． -
研究課題/領域番号：20700408 2008年 - 2010年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
脇元 修一
担当区分：研究代表者
配分額：4030000円 （ 直接経費：3100000円 、 間接経費：930000円 ）
容易かつ安全に挿入することが可能な大腸内視鏡装置の実現が求められている。本研究では剛性が制御可能なシリコーンゴム製の剛性変化デバイスを開発し、これを複数、直列に配置した新しい可変剛性型の大腸内視鏡の実現を目的としている。試作した可変剛性内視鏡は任意の箇所を任意の剛性に調節することができる。大腸モデルへの挿入実験を行った結果、特別な挿入技術を必要とせず大腸最深部までの挿入が可能であった。
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研究課題/領域番号：19206027 2007年 - 2009年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A) 基盤研究(A)
鈴森 康一, 神田 岳文, 脇元 修一
担当区分：研究分担者
配分額：37700000円 （ 直接経費：29000000円 、 間接経費：8700000円 ）
これまでの多くの機構(メカニズム)では、硬い材料が用いられていた。本研究では柔らかいゴム材料のみで構成され、かつ機能性を有する新たなマイクロメカニズムの開発に関して基盤技術の構築と実際のメカニズムの具現化という2つの側面から実施した。基盤技術として、高精度なゴムの成型法や接着法を確立し、機能性ラバーシート、内視鏡用アクチュエータ、マイクロチェックバルブ、大湾曲アクチュエータといった新たなメカニズムを実現した。
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空圧式剛性変化ユニットを用いた大腸内視鏡の開発
研究課題/領域番号：19800026 2007年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(スタートアップ) 若手研究(スタートアップ)
脇元 修一
担当区分：研究代表者
配分額：3115000円 （ 直接経費：2710000円 、 間接経費：405000円 ）
大腸は複雑な形状であり、且つ柔軟性の高い器官である。このため、大腸内視鏡検査は医師の技量に大きく依存しており、麻酔を必要とするほどの苦痛を伴う場合もある。本研究では空気圧の印加によって剛性が調整可能なゴム製剛性変化ユニットの開発を行い、これを用いて内視鏡を構成する。大腸に局所的に過負荷が生じた場合、その部位にある内視鏡の剛性を低くすることで大腸へのダメージを回避することが可能である。本年度は1、剛性変化デバイスの基本設計と製作、2、デバイスの駆動実験、3、感圧センサの基礎特製の確認を行った。
1、ゴム製剛性変化デバイスは内部の空気圧力を変化させることで、デバイス自体の硬さを調整する機能を有しており、本研究の基盤デバイスとなる。一般に空気圧ゴムデバイスは繊維強化の方法によってその挙動が決まる。本研究では理論計算によって、空気圧印加時に、形状変化を極めて小さく抑え、かつ剛性の大きな変化を実現させる繊維の編み角度を求めた。繊維にPBOを用いることでデバイスの高い柔軟性と強度を実現した。また、複数の剛性変化デバイスを直列に構成するためのゴム製ジョイントの開発を行った。
2、剛性変化デバイスの特製評価を行った。空気圧0.4MPa印加時と非印加時を比較すると、デバイスのヤング率は5倍以上も変化することが可能であった。さらにデバイスの形状変化は極めて小さく、長手方向に対して約2%の伸びであることを確認した。
3、剛性変化デバイスへ搭載する柔軟センサの検討を行った。2種類の導電性エラストマーを用いて基礎実験を行っており、それぞれ有効性を確認した。今後、剛性変化デバイスへの搭載性を考慮しセンサ形状の決定を行う。 -
多自由度メカトロニクス用インテリジェントアクチュエータの研究
研究課題/領域番号：16078209 2004年 - 2008年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特定領域研究 特定領域研究
鈴森 康一, 脇元 修一
担当区分：研究分担者
配分額：65300000円 （ 直接経費：65300000円 ）
多自由度メカトロニクス機器を対象としたインテリジェントアクチュエータの研究を行った.具体的には,(1)通信/制御機能を内蔵した電磁モータの開発とロボットへの適用,(2)通信/制御機能を内蔵した空圧アクチュエータの開発と,リンク機構への適用,(3)空気供給管に粗密波を重畳する新しい制御方式の実現,に成功した.
以上の3つのサブテーマを通して,多自由度のメカトロニクス機器用の新しいインテリジェントアクチュエータの設計法とシステム構築法を確立した. -
柔軟機能要素の開発と高コンプライアントマイクロロボット構築に関する研究
研究課題/領域番号：04J04954 2004年 - 2006年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費 特別研究員奨励費
脇元 修一
担当区分：研究代表者
配分額：2800000円 （ 直接経費：2800000円 ）
柔軟機能要素として、高分子材料を母材とした柔軟センサの開発を行い、ゴム製空気圧駆動ソフトアクチュエータであるMcKibben型アクチュエータとFMA(Flexible Microactuator)の制御を行った。柔軟センサは母材である高分子材料と導電性樹脂ペーストから成膜される導電性樹脂膜で構成されており、アクチュエータに内蔵、及び一体成形が可能である。そのため、センサの搭載によるソフトアクチュエータの柔軟性の低下、サイズの増加を防ぐことが可能である。なお、3次元位置決めロボットと液体精密吐出装置からなるペーストインジェクションシステムを構築することで、導電性樹脂膜は任意面に均一な厚みでパターニングすることが可能となっている。センサ特性は高分子材料の粘弾性特性の影響を受けるため、対に配置した2つのセンサの出力差を利用する手法と力学モデルによってセンサのモデル化を行う手法によりセンサ特性の改善を行い、ソフトアクチュエータの変位量と発生力の制御を実現した。
また、高分子材料のみで構成される高コンプライアントロボットに柔軟センサを形成した。ロボットは、索状体形であり、非常に安価に製作が可能であるため、将来は大腸内視鏡用ロボットとしての応用が期待できる。人体に挿入することを目指すロボットにはロボットが進行する経路環境に対して、高い安全性を実現することが求められるが、これまで安全性は機構的な柔軟性によってのみ確保されていた。これに対して、柔軟センサを利用して力制御を行うことで、ロボットは通過する経路環境に応じて駆動状態を変化させ、経路壁への過剰な負荷を回避することが可能となり、制御性による安全性を付加することに成功した。