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清水 正宏

清水 正宏

清水 正宏
(しみず・まさひろ)
Masahiro Shimizu

職位
教授
学位
博士(工学)(名古屋大学)
専門分野
バイオロボティクス、自律分散システム
研究キーワード
サイボーグ、生体機械融合システム、筋細胞アクチュエータ、脳オルガノイド、クラゲサイボーグ
所属
バイオデータサイエンス学科、バイオロボティクス研究室
バイオサイエンス研究科 分子バイオ科学技術領域

略歴

  • 名古屋大学大学院工学研究科博士後期課程計算理工学専攻 短縮修了
  • 東北大学大学院工学研究科助手・助教、大阪大学大学院情報科学研究科准教授、大阪大学大学院基礎工学研究科准教授を経て本学へ
  • 2004年10月 IROS2004 Best Paper Award
  • 2005年9月 日本ロボット学会第20回研究奨励賞
  • 2007年2月 2006年度 計測自動制御学会学術奨励賞 研究奨励賞
  • 2009年10月 IROS2009 Best Paper Finalist

バイオロボティクス研究室

  • #サイボーグ
  • #生体機械融合システム
  • #筋細胞アクチュエータ
  • #脳オルガノイド
  • #クラゲサイボーグ

バイオロボティクス研究室

ロボット工学は異分野を取り込み、異分野に貢献して発展してきた学問です。我々は、生体と機械を融合したバイオロボットを開発しています。そのためには、生物学とロボット工学を横断的に推進することのできる視点や知見に加え設備も必要となります。当研究室では、研究室内のみで、機械工学的作業から分子生物学的操作までを包括的に取り扱うことができる環境を構築しています。常識にとらわれることなく、技術革新を求め、サイボーグの将来的な社会実装、医療応用を目指しています。

卒業研究テーマ例

  • 自発的に駆動する脳オルガノイド駆動型サイボーグの開発
  • 機械と生体筋組織の融合したロボットの適応的運動発現
  • クラゲ遊泳における個体間相互引き込み現象の解析

近年の再生医療技術、またiPS細胞関連技術の驚異的な発展により、単純な生体組織のみならず一部の生体器官の再建までもが、可能となりつつあります。現段階では、これらの技術は、特定の病態を再現する等の病理学的な利用に限定されたものです。私は、実際に機械と生体を接続して制御する新しいシステム学へ発展させるために、細胞をソフトでインテリジェントな部品として直接組みこんだサイボーグを開発しています。

自己改変する生体機械融合システム

自己改変する生体機械融合システム

細胞の機械刺激応答を応用して、自己改変する知能機械システムを目指しています。国内外の研究者らによって、細胞は機械刺激によって、その機能や分化経路すらも改変できることが明らかになってきました。すなわち、工学的技術である機械刺激によって、生体をあたかもロボットデバイスのように操作できる可能性が示されています。この興味深い知見に基づき、私達は、状況に応じて自己改変する能力(成長、複製、修復)を獲得する知的システムを構築したいと考えています。

環境との相互作用から知的能力を発現する自律分散システム

環境との相互作用から知的能力を発現する自律分散システム

真正粘菌変形体など、一見原始的な生物であっても環境との相互作用から知的な振る舞いを発現します。このような現象は、生物学的に興味深い一方で、そのしくみは工学的に一般化、抽象化することで、産業分野、教育分野への応用も期待できます。このような背景から、クラゲの群挙動、同期現象の解析、ロボット応用を行っています。

生体由来マテリアルでパッケージングされた身体を有する人工知能システム

生体由来マテリアルでパッケージングされた身体を有する人工知能システム

筋細胞に適切な刺激を印加することで、機械的な出力を取り出すことができるアクチュエータを構成することができます。従来、このためには、外部装置によるパルスジェネレータ等の力を借りる必要がありました。本研究では、生体筋組織と脳オルガノイドを直接結合することによって、生体由来マテリアルのみでパッケージングされた身体を有する人工知能システムの開発を目指しています。これにより、従来のロボットとはまったく異なる動作原理に基づく「生きている機械」をつくることができます。
研究の応用領域
医療IT機器産業、サイボーグ型再生医療、本質を可視化する先進的生物学教育
産官学連携で求めるパートナー
生体と機械のインタフェース開発、生物知能の可視化、生物学と工学の連携の具体的手段を探している方

Due to the development of regenerative medicine technology and iPS cell-related technology in recent years, it is becoming possible to reconstruct not only simple living tissues but also some living organs. At this stage, these techniques are limited to pathological applications such as reproducing specific disease states. We have been developing a cyborg that directly incorporates cells as soft and intelligent parts in order to develop a new intelligent system that connects and controls machines and living organisms.

Self-modifying bio-machine hybrid system

We aim for an intelligent mechanical system that self-modifies by applying the mechanical stimulus-response of cells. Researchers in Japan and overseas have revealed that mechanical stimuli can modify cell functions and even differentiation pathways. Mechanical stimulation, which is an engineering technology, has shown the possibility of manipulating a living body as if it were a robot device. Based on the findings, we hope to construct an intelligent system that acquires the ability to self-modify (grow, replicate, self-repair) depending on the situation.

Autonomous decentralized system that expresses intelligent ability through interaction with the environment

Even primitive species such as true slime molds exhibit intelligent behavior through interaction with the environment. While such phenomena are biologically interesting, their mechanisms can be generalized and abstracted from an engineering point, and applications in industrial and educational fields can also be expected. We are analyzing the group behavior of jellyfish, synchronization phenomena, and application to robots.

Artificial intelligent system with a body packaged with biomaterials

By applying an appropriate stimulus to muscle cells, it is possible to develop an actuator that can extract mechanical output. Conventionally, it was necessary to use external devices such as a pulse generator to drive muscle cells. In this research, we aim to develop an artificial intelligent system with a body that is packaged only with biomaterials by directly connecting living muscle tissue and brain organoids. This makes it possible to create “living machines” based on principles that are completely different from conventional robots.

  1. 石黒章夫,清水正宏,粘菌に学んだ変幻自在のロボット,粘菌 ~驚くべき生命力の謎~.(株)誠文堂新光社,116-117 (2007)

  2. 清水正宏,梅舘拓也,細田耕,小椋利彦,「成長」する機械をめざして.日本機械学会誌2019年4月号,15-17 (2019)

  3. M. Shimizu, T. Fujie, T. Umedachi, S. Shigaki, H. Kawashima, M. Saito, H. Ohashi and K. Hosoda, Self-healing Cell Tactile Sensor Fabricated Using Ultraflexible Printed Electrodes, in Proc. of 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2020), 8932-8938 (2020)

  4. K. Furusawa, R. Teramae, H. Ohashi and M. Shimizu, Development of Living“Bio-Robots”for Autonomous Actuations. Journal of Robotics and Mechatronics, Vol.34 No.2, doi: 10.20965/jrm.2022.p0279 (2022)

  5. V. A. Webster-Wood, M. Guix, N. W. Xu, B. Behkam, H. Sato, D. Sarkar, S. Sanchez, M. Shimizu, K. K. Parker, Biohybrid Robots: Recent progress, challenges, and perspectives, Bioinspir. Biomim., in press, https://doi.org/10.1088/1748-3190/ac9c3b (2022)