用蚯蚓肌肉开发小型泵机

2016-10-200阅读0

  由日本理化学研究所(理研)和东京电机大学等组成的共同研究小组2016年10月17日宣布,开发出了利用蚯蚓肌肉组织的小型泵机。该产品具有可与已有的使用压电元件的同尺寸泵机相匹敌的功能,因此今后很可能成为超微小泵机开发上的典范。

  

蚯蚓泵机的构造和送液原理

  (摘自理研的新闻发布资料)

  以前理研等一直在开发将生物拥有的细胞及组织结构导入到微流体器件的技术,比如使用新生小鼠心肌细胞的泵机以及使用电鳐的发电机等。但该研究小组以前开发的使用新生小鼠心肌细胞的泵机由于心率搏动而缺乏控制性,而且收缩也仅为微牛顿(μN)级别,无法替代已有器件。

  

蚯蚓泵机的实证试验

  (摘自理研的新闻发布资料)

  此次研究人员着眼于构成蚯蚓体表的体壁肌,以具有环状构造,而且控制性、响应性、应答速度及收缩力出色的体壁肌肉为材料,试制出了在聚集性及机械性方面可与已有泵机相匹敌的小型“蚯蚓泵机”。制造时使用微细加工技术,以微流体芯片为基座,制备了宽度和深度为0.2mm的微细流路、直径为3mm的泵室、止回阀等,然后在上面设置传递肌肉收缩力的推杆,最后盖上“蚯蚓肌肉片”并用针固定。

  蚯蚓肌肉片是对陆生蚯蚓进行横切然后展开成宽约1cm的片状。机械特性检测结果显示,对6V电压电刺激的收缩力最大为9.3mN(约0.95g重),收缩前的响应时间约为0.3秒。这一性能与小型泵机驱动元件普遍使用的同尺寸压电元件为同等程度。

  用6V电压的电脉冲(持续时间为0.3秒)以3秒为间隔向泵机上的蚯蚓肌肉片实施连续刺激时,确认泵室内的水会随着肌肉片的收缩被推出,实现送液动作。流量为每分钟5μL,是使用新生小鼠心肌细胞的泵机的1000倍以上。

  形成蚯蚓泵机动作的能量源为生物体的共同能源——三磷酸腺苷(ATP)。如果包括神经组织等在内,能够人工制造与蚯蚓相同的构造,将来还有可能不用电刺激便可驱动。无需电力的小型泵机若得以实现,有望应用于不能使用电机的下水道内机器人、血管内机器人等工业及医疗等领域。

  此次研究成果已于2016年9月22日发表在荷兰科学杂志《Sensors and Actuators B, Chemical》的在线版上。(特约撰稿人:工藤 宗介)

  (全文完)