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» 2022年09月21日 15時00分 公開

充電可能な太陽電池を実装したサイボーグ昆虫を開発医療技術ニュース

理化学研究所らは、昆虫の動きを損なわない超薄型有機太陽電池を実装した、再充電と無線通信が可能なサイボーグ昆虫を共同開発した。

[MONOist]

 理化学研究所は2022年9月5日、昆虫の動きを損なわない超薄型有機太陽電池を実装した、再充電と無線通信が可能なサイボーグ昆虫を開発したと発表した。早稲田大学、シンガポール南洋理工大学の国際共同研究による成果だ。

キャプション 再充電可能なサイボーグ昆虫 出所:理化学研究所

 今回の研究では、体長約6cmの昆虫(マダガスカルゴキブリ)を用いてサイボーグ昆虫を開発した。昆虫の腹部背側に厚さ4μmの超薄型有機太陽電池モジュールを、胸部背側に無線移動制御モジュールとリチウムポリマー電池を柔らかいバックパックを介して装着した。

 バックパックは、昆虫の正確な3Dモデルを基に、弾性ポリマーを用いて3Dプリンタで作製。バッグパックの接着面は、昆虫の個体間で形状に違いがあっても安定的に実装できるよう、胸部背側の曲面形状と一致する柱状構造に設計した。なお、昆虫とバッグパックの接着は、繁殖環境において1カ月後も維持されていることを確認している。

キャプション サイボーグ昆虫の概要と3Dプリントバックパック[クリックで拡大] 出所:理化学研究所

 超薄型有機太陽電池の取り付けには、腹部の動きの自由度を確保するため、接着領域と非接着領域を交互に配置する「飛び石構造」を採用した。これにより、腹部が屈曲すると超薄型有機太陽電池の基板であるポリマーフィルムが外側に曲がり、昆虫の動きを妨げない。

キャプション 超薄型有機太陽電池の腹部実装 出所:理化学研究所

 飛び石構造の有効性を、昆虫が障害物を通過する時間を用いて評価したところ、腹部を厚いフィルムで固定すると障害物を通過するのに必要な時間が長くなった。一方、厚さ3μmのフィルムを飛び石構造で実装した場合は、フィルムなしの場合とほぼ同じ時間で通過できた。

キャプション 障害物踏破試験(スケールバーは10mm)[クリックで拡大] 出所:理化学研究所

 続いて、地面にひっくり返った昆虫が元の体勢に戻れるかを評価する起き上がり試験を実施した。その結果、フィルムが厚いほど起き上がり成功率が低下し、厚さ2μmと薄いフィルムでも、飛び石構造なしの場合は成功率が10%にとどまった。厚さ4μmの超薄型有機電池モジュールを飛び石構造で取り付けた際の起き上がり成功率は100%で、昆虫の動きを確保するには、十分に薄いフィルムと飛び石構造の組み合わせが重要であることが確認された。

キャプション 起き上がり試験(スケールバーは10mm) 出所:理化学研究所

 また、超薄型有機太陽電池モジュールの出力は最大17.2mWで、サイボーグ昆虫を用いて環境データを取得するために必要とされている10mWを超えていた。

 生きたサイボーグ昆虫を用いた、充電と無線移動制御の実証実験では、まず疑似太陽光を30分間照射して、電池を充電した。その電力を用いて制御信号を昆虫に無線受信させ、右方向への移動制御を試みたところ、繰り返し成功できた。

 行動を制御するための小さな集積回路を備えたサイボーグ昆虫は、人が到達困難な環境でも活動できることから、都市型捜索救助、環境モニタリングなどの用途で期待されている。しかし、大きなデバイスを取り付けると昆虫の運動能力を損なうため、十分な出力が可能な発電装置を取り付けつつ、昆虫の運動能力を保つことは、これまで難しかった。

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