Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ロボット / 咀嚼 / アクチュエータ / 筋 / 粘弾性 / 医用生体工学 / ヒューマノイド / 顎 / 口腔

ヒトの筋の力学モデルは基本的には収縮要素と直列弾性要素の2要素モデルで近似でき,収縮要素には弾性要素とともに粘性要素も含まれている.かたい植物を噛む際には食物を破砕するために大きな張力を発生し筋がかたくなると言われている。また,柔らかい食物を噛むときには大きな張力を発生する必要がなく,急速な閉口運動もないため筋はやわらかいままであると考えられる.このような筋の特性に着目し,非線形な粘弾性特性を有するアクチュエータを開発することを目指した.
実機の構築:「<」形をした実機を製作した.粘性要素に相当するロータリーダンパの回転軸を,弾性要素に相当するねじりコイルばねの中心軸とし,それらを「<」形に配置した2枚のジュラルミン板の交差部分に配置した.この機構はねじりコイルばねの中心とねじりコイルばねの両端を接続したワイヤとを左右に直流モータで引っ張る機構であり,ばねダンパ機構は自重や摩擦の影響を考慮して直動リニアガイドの上に搭載した.ねじりコイルばねは筋の弾性要素に,ロータリーダンパは粘性要素に,直流モータは収縮要素にそれぞれ対応する関係となっている.ねじりコイルばねとロータリーダンパは回転方向に関して線形な特性を理論上有しているため,これらの力発生方向をワイヤを用いた機構で直線方向に変換することにより,非線形性が得られることになる.
基礎特性実験:製作した本機構の力-変位-速度特性を調べた結果,変位が増大するにつれて弾性係数・粘性係数ともに増大し,開発したアクチュエータが非線形な粘弾性特性を有していることを実験的に確認した.
以上により,咀嚼ロボット用非線形粘弾性アクチュエータを開発した.

咀嚼 / ロボット / 顎運動 / 運動軌跡 / 咬合力 / 脳幹-脊髄標本 / 吸啜リズム / 中枢性パタン形成 / 下顎-下歯槽神経標本 / アクチュエータ / 感覚遮断 / 顎筋 / 筋電図 / 最適制御 / 評価関数

本研究は、神経生理学、臨床歯科医学、制御工学の知識・技術を統合して、ヒトの顎運動と同一の軌跡を描く顎運動を遂行するとともに、ヒトと同一の様式で食物の性状に適した咬合力を発生して咀嚼するための制御機構を具えた顎運動の工学モデル(咀嚼ロボット)の作成を目的とする。これによって、ヒトの顎運動の動的最適制御の神経・筋機構に関する解析的研究のための定量的モデルを開発することを目指している。
この目標達成のために、顎運動の制御機構ならびに機能的・構造的にヒトの顎運動をシミュレートする運動機構を具えたロボットを以下の設計思想に基づいて製作した:(1)顎運動はヒトの頭蓋模型で実現する、(2)顎運動の効果器として、ヒトの閉口筋および開口筋に相当するアクチュエータを装備する、(3)顎運動および咬合力の感覚受容器として、筋紡錘、歯根膜機械受容器をはじめとする生体の感覚受容器に相当するセンサを装備する、(4)ヒトの随意性顎運動ならびに反射性顎運動の司令に相当する出力を発生する制御装置を装備する。
この咀嚼ロボットの製作と並行して、ヒトの正常顎運動の軌跡ならびに咬合力発生様式の特性を明かにするために、正常ならびに異常な咀嚼運動時の顎運動の軌跡ならびに顎筋の筋電図の記録を、多数の被験者について集積した。
さらに、摂食運動の中枢性パタン発生機構のモデルとして、ラット新生仔の遊離脳幹-脊髄標本で吸啜リズム活動を誘発する手法を確立した。引続き現在は、若年成熟マウスの遊離脳幹-脊髄標本で咀嚼リズム活動の誘発を試みている。

【研究分担者】
高西淳夫	早稲田大学	理工学部	助教授	(Kakenデータベース)
相馬邦道	東京医科歯科大学	歯学部	教授	(Kakenデータベース)