Microsoft PowerPoint - 成果発表会_中立電機.pptx

(1)

中立電機

(

株

) FA

事業部

/

バイオ機器グループ

神谷

聡

、大久保

充宏、中村

隆司、福本

和哉、

白木

央

科学技術交流財団

平成

24

24 年度

年度

科学技術コーディネート事業

「育成試験」

成果発表会

「

簡便で小型軽量な

高速自動種まき

装置

の実用化

」

• 共同開発：小内清、石浦正寛（名古屋大学遺伝子実験施設） • 協力：八木良樹（マイクロニクス(株)）、藤田旺之（椿本興業(株)）

(2)

本日の内容

1.

1. 弊社のご紹介

弊社のご紹介

2.

2. 開発成果のご報告

開発成果のご報告

①

背景とニーズ

②

技術基盤

―

プロトタイプ装置

―

③

課題と目的

④

開発内容

•

• 構想と仕様

構想と仕様

•

• ハードウェアとソフトウェア

ハードウェアとソフトウェア

•

• 装置の動作

装置の動作

•

• 性能評価試験の結果

性能評価試験の結果

3.

3. 今後の展開

今後の展開

(3)

会社名：中立電機株式会社本社所在地：名古屋市中区大須四丁目１２番８号代表取締役社長：石原猛創業： 1927年10月10日（昭和2年）製品：受配電・制御システム、加工機械、制御ソフト、特機、業務管理システム、太陽光発電システム、植物工場システム、バイオ機器、等の設計・製造・販売

弊社のご紹介

幕張メッセ幕張メッセ理化学研究所理化学研究所スーパーコンピュータ「京」スーパーコンピュータ「京」盤事業盤事業・東京ビッグサイト・東京ビッグサイト・六本木ヒルズ・六本木ヒルズ・名古屋セントラルタワービル・名古屋セントラルタワービル・アクトシティ浜松・アクトシティ浜松などの大型施設への納入設置などの大型施設への納入設置張力制御装置張力制御装置クロマト装置クロマト装置追従装置追従装置自動位置決め自動位置決め装置装置 FA FA事業事業・１９８３年から事業を展開・１９８３年から事業を展開・サーボモータや油圧サーボバルブに・サーボモータや油圧サーボバルブによる位置決め技術・搬送技術よる位置決め技術・搬送技術 • 弊社はバイオ機器を新事業の１つとして重要視し、積極的に取り組んでおります。

(4)

背景とニーズ

• CO₂削減、バイオマスやバイオ燃料などの有用物質の生産性など「グリーンイベーション」創成のための高等植物を材料とした様々な研究が推進されている。特にモデル高等植物のシロイヌナズナでは、世界中で2万人以上の研究者人口である。（大きな市場性） • 植物を無菌的に培養する際には、種子を次亜塩素酸やエタノールで滅菌してから滅菌水でリンスして、滅菌水に浸した状態で培地へ播種を行う。しかし、この作業は、自動化できていないので、研究従事者（主にパートタイム職員）が手作業で１粒ずつ実施しており、多大な時間と労力を要している。（自動化のニーズ） • 熟練した実験者の処理速度は1種子あたり5秒程度であり、これ以上の高速化は望めない。（高速化のニーズ） • マイクロピペッターで種子を1粒ずつ播種するので、日常的に大量の種子を播種している従事者は、しばしば腱鞘炎を患ってしまう。しかし、マイクロピペッターを使用した種子の播種には、吸引・吐出に微妙な力加減が必要なので、電動式のマイクロピペッターを使用することができない。（安全面からのニーズ）

簡便で高速な「自動種まき機」の実用化が望まれている。

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手作業による播種

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技術基盤

―

プロトタイプ装置

―

• JST【先端計測分析技術・機器開発プログラム】の支援のもと、ハイスループットスクリーニングに使用する試料を高速に調製するための多機能装置として、名大殿と共同開発した。 • 新たな機能の一つとして、滅菌後の水に浸した状態の種子を無菌的に高速に自動播種する機能を開発した（世界初、特許出願済）。 • 96ウェルプレートのピッチで1.25秒/種子の高速で自動播種できる（96種子が僅か2分）。寒天培地・液体分注・液体ポッティングユニットコロニーピッキングユニット自動播種ユニットプレートスタッカー ×4機プレートの搬送路各ユニットのヘッドがアームで移動制御盤タッチパネル・操作SW ノート型PC操作ソフトウェア自動播種機能自動播種機能播種したプレート播種したプレート拡大写真拡大写真生育した植物体生育した植物体試料プレート試料プレートプレート搬送ステージプレート搬送ステージ試料分注ノズル（8チャンネル）試料分注ノズル（8チャンネル）試料容器（種子槽）試料容器（種子槽）装置全体装置全体

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プロトタイプ装置による高速播種

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プロトタイプ装置から実用化装置に向けた課題

•

• 汎用装置として考えた場合のプロトタイプ装置の問題点

汎用装置として考えた場合のプロトタイプ装置の問題点

① ① 同一種類の種子を同一種類の種子を9696ウェルプレートのピッチで短時間に大量播種するウェルプレートのピッチで短時間に大量播種する（例えば（例えば22万個）ことを目的としている。万個）ことを目的としている。 • • 少量の種子を通常使用するプレートに様々なパターンで播種できない。少量の種子を通常使用するプレートに様々なパターンで播種できない。 • • 種子のロスが大きい（約種子のロスが大きい（約1/31/3が無駄になる）。が無駄になる）。 ① ① 様々な試料を調製することを目的とした多機能な複合型様々な試料を調製することを目的とした多機能な複合型ワークステーションである。ワークステーションである。 • • 高額である（標準的な構成で高額である（標準的な構成で2,0002,000万円程度）。万円程度）。 • • 設置スペースを必要とする。設置スペースを必要とする。 • • 播種機能はワークステーションの機能の一つに過ぎないので、播種機能はワークステーションの機能の一つに過ぎないので、「種まき」に特化されていない。「種まき」に特化されていない。 • • 使用するためには、専門的な知識や技術を必要とする。使用するためには、専門的な知識や技術を必要とする。

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目的

•

• 実用化装置（汎用装置）として必要な点

実用化装置（汎用装置）として必要な点

① ① 性能を落とさずに播種に特化した単機能の装置であること。性能を落とさずに播種に特化した単機能の装置であること。（（シンプルで高性能シンプルで高性能）） ① ① 安価であること（販売価格が安価であること（販売価格が500500万円以下、可能であれば万円以下、可能であれば300300万円以下）。万円以下）。（（コストダウンコストダウン）） ② ② 小型軽量にして小型クリーンベンチ内で常時無菌的に使用できること。小型軽量にして小型クリーンベンチ内で常時無菌的に使用できること。（（小型軽量化小型軽量化）） ③ ③ 少量の種子を通常使用するプレート（角２号シャーレや少量の種子を通常使用するプレート（角２号シャーレやφφ90mm90mm深型丸深型丸シャーレ）に様々なパターンで播種できること。（シャーレ）に様々なパターンで播種できること。（汎用性汎用性）） ④ ④ シロイヌナズナだけでなく、タバコなどの比較的小型の様々な植物種子にシロイヌナズナだけでなく、タバコなどの比較的小型の様々な植物種子に対応すること。（対応すること。（汎用性汎用性）） ⑤ ⑤ 専門知識のない学生やパートタイム職員でも、日常的な業務で簡便に専門知識のない学生やパートタイム職員でも、日常的な業務で簡便に（気軽に）使用できること。（（気軽に）使用できること。（操作性・簡便性操作性・簡便性））

プロトタイプ装置と同じ原理に基づく汎用装置を

実用化して、安価で市場に提供する。

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開発品の仕様

（現時点）

型式 MOCT-001S 処理速度シロイヌナズナ： 6種子/約8秒（例： 96種子/プレートならば、1枚あたり2分6秒）播種成功率シロイヌナズナ： 99% 対応種子シロイヌナズナ、その他の小形種子 ※種子設定を4種類まで登録可能播種ノズル 6本 ※ノズル本数やプレート数などカスタム仕様も対応可能制御系・操作系 PLC制御・タッチパネル操作（3.6インチ液晶）、２カ国語対応（日本語／英語） ※PC不要 ※ユーザ設定を3種類まで登録可能プレート・播種数（播種パターン）角2号シャーレ： 12種子（3×4）、 24種子（6×4）、 48種子（6×8）、 96種子（12×8） φ90mm深型丸シャーレ： 6種子（3×2）、 12種子（3×4）、 24種子（6×4） ※寒天培地やゲランガム培地に対応 ※3段階の培地の高さを容器毎に登録可能種子槽・洗浄槽播種専用マイクロチューブ×6本ノズル洗浄専用マイクロチューブ×6本寸法・重量・電源本体： 500(W)×300(D)×H340(H) ・約12kg （卓上クリーンベンチ内に設定可能）制御ボックス： 170(W)×300(D)×450(H) ・約9kg AC100V (500VA) 播種ノズルノズル移動アーム（XYZ）種子槽制御ボックス本体をクリーンベンチ内に設置ノズル洗浄槽タッチパネルフットスイッチ 6連ビュレット培地本体 • •概要図概要図 Φ９０mm深型丸シャーレ / 3パターン 6種子（3×2） 12種子（3×4） 24種子（6×4）角２号シャーレ / 4パターン 12種子（3×4） 24種子（6×4） 48種子（6×8） 96種子（12×8） • •対応プレートと播種パターン対応プレートと播種パターン

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開発品の写真

• • 卓上型クリーンベンチ（卓上型クリーンベンチ（PanasonicPanasonic製製 MCV MCV--710ATS710ATS）への設置例）への設置例タッチパネルフットスイッチ制御ボックス培地種子槽ノズル洗浄槽緊急停止ボタン播種ノズル 6連ビュレットアクチュエータＸＹＺサイズ (mm) 幅奥行高さ本体外寸 500 300 340 クリーンベンチ内寸 710 477 620 本体

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開発品の動作

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ソフトウェア

―

二カ国語対応

―

• 日常的に種まきを行っている作業者のほとんどが、パートタイム職員（実験補助員）であり、装置のインタフェースが英語であると敷居が高くなってしまう。 1.誰もが気軽に、かつ容易に操作できるよう、日本語インタフェースを基本とした。 2.外国人研究者の使用や、将来的な海外出荷を考慮して、英語のインタフェースも用意した。画面上でワンタッチで言語を切り替える２カ国語対応とした。 • 日本語の操作画面 • 英語の操作画面

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ソフトウェア

―

動作モード

―

• 「ノズル洗浄」、「播種」、「調整」の３つの動作モードを用意した。 1. 「ノズル洗浄」：ユーザが播種ノズルを滅菌洗浄するときに選択するモード。 2. 「播種」：ユーザが播種を行うときに選択するモード。 3. 「調整」：工場出荷時に弊社が各部の調整を行ったり、様々な動作設定やパラメータ値をプリセットするためのモード。パスワード保護によって、ユーザは操作できない。 • 動作モードの選択画面

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ソフトウェア

―

対応種子の種類

―

• 動作試験の結果、種子の大きさや形状によってビュレットのストローク量や動作速度、ノズルの上下動させるZ軸アクチュエーターの動作速度の最適値が異なることが明らかとなった。本課題ではシロイヌナズナとタバコのパラメータを最適化した。しかし、今後、ユーザの要望によって様々な種類の種子への対応が必要となる可能性が高い。 • 種子の種類ごとに、動作パラメータの最適値を弊社が工場出荷時にプリセットしておき、これをユーザがワンタッチで呼び出すことができるようにした。 • プリセットできる設定は、４つまで独立して保持できるようにした。 • 種子の種類の選択画面

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ソフトウェア

―

対応プレートと播種パターン

• ユーザの大多数が「角２号シャーレ」または「φ90mm深型丸シャーレ」の２種類のプレートを使い分けている。また、ユーザは実験の目的に合わせて、各プレートで多様な播種パターンや播種数を使い分けている。 • プレートは「角２号シャーレ」と「φ90mm深型丸シャーレ」の両者に対応し、ユーザがワンタッチでプレートの種類を選択できるようにした。 • 各プレートにおいて、複数の播種パターンを用意した。これによって、ユーザが実験の目的に適した播種パターンを選択できるようにした。 • プレートの選択画面 • 播種パターンの選択画面角２号シャーレの播種パターン（4パターン） φ90mm深型丸シャーレの播種パターン（3パターン）

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ソフトウェア

―

培地の高さ

―

• 培地の高さの選択画面 • ユーザによって、「角２号シャーレ」と「φ90mm深型丸シャーレ」それぞれで培地量が必ずしも同一ではない。また、同一のユーザでも、実験の目的によって、培地量を何段階かに使い分けている。 • 「角２号シャーレ」と「φ90mm深型丸シャーレ」のそれぞれにおいて、独立に３段階の培地の高さ（＝培地量）をプリセットしておき、ユーザがワンタッチで選択できるようにした。

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ソフトウェア

―

ユーザ設定

―

• 日常の播種作業は比較的、同じパターンの播種を繰り返すことが多いので、できる限り設定等の操作をシンプルにする必要がある。 • ユーザが各種設定（種子の種類、プレートの種類、播種パターン、培地の高さ）を「ユーザ設定」として登録しておくことで、ワンタッチで設定を呼び出して、直ぐに播種を開始できるようにした。 • 「ユーザ設定」は３種類まで登録できるようにした。 • ユーザ設定の選択画面 • ユーザ設定の確認画面 • ユーザ設定の登録画面 • 播種開始画面

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性能評価試験の結果（シロイヌナズナ）

実験成功率（％）成功数/播種数発芽率（％）発芽数/成功数１ 99.5 193/194 91.7 177/193 ２ 99.0 208/210 92.8 193/208 ３ 99.4 177/178 96.6 171/177 ４ 99.4 177/178 97.7 173/177 ５ 98.3 175/178 92.6 162/175 ６ 99.3 272/274 92.6 252/272 全体 99.2 ± 0.5 1,202/1,212 94.0 ± 2.5 1,128/1,202 拡大 • 播種例（角2号シャーレ、96種子） ※参考データ：「手作業で播種した場合の平均発芽率」＝ 93.8% ※処理速度： 96種子あたり2分6秒＝ 1.3秒/種子 • 播種後11日目の植物体の様子

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性能評価試験の結果（タバコ）

タバコの系統成功率（％）成功数/播種数ノズルの種類及び動作パラメータセット処理速度

Nicotiana tabacum L. Xanthi 75.0 6/8 A 8秒/6種子

Nicotiana tabacum L. Xanthi 55.5 71/128 B 9.5秒/6種子

Nicotiana tabacum L. Xanthi 81.9 904/1,104 C 10秒/6種子

Nicotiana tabacum SR1 86.0 826/960 C 10秒/6種子Ｎｉｃｏｔｉａｎａｂｅｎｔｈａｍｉａｎａ 75.5 906/1,200 C 10秒/6種子

• タバコの種子に対しても、ノズルの種類や動作パラメータ値を

最適化することで高い播種成功率を達成した。

※「ノズルの種類及びパラメータセット」における「セットA」は、シロイヌナズナ用に最適化したセットである。

(21)

まとめ

1. 当初の計画通りに、プロトタイプ装置と同じ原理に基づいた「小型

軽量な自動種まき機」の開発・試作に成功した。

• 本体は小型な卓上クリーンベンチ内に設置して常時無菌的に使用することができるサイズに収めた。 • ユーザが日常の作業で可変させる要素（プレートの種類、播種パターン、培地の高さなど）に柔軟に対応することをはじめとして、使い勝手の良いインタフェースを実現した。また、操作系は日英２カ国語に対応した。 • シロイヌナズナの種子に対して、性能は目標を上回る播種率（目標値95%以上に対して達成値は99.2%）、ほぼ目標通りの処理速度（目標値1.25秒/種子に対して達成値は1.3秒/種子）を達成した。 • タバコの種子に対しても、ノズル形状や動作パラメータ値を最適化することで高い播種成功率（Nicotiana tabacum SR1 では86.0%、Nicotiana tabacum L. Xanthi では

81.9%、Ｎｉｃｏｔｉａｎａｂｅｎｔｈａｍｉａｎａでは75.5%）を達成した。 • 本装置で播種した種子の発芽率や播種後の植物体は、手作業で播種した場合と同じ発芽率、健全な生育状態であった。 • 販売価格は300万円以内を実現できる見込みである（目標の500万円以内よりも大幅に安価に提供できる見込み）。

2. シロイヌナズナやタバコ以外の種子（農作物や園芸植物など）に

対しても、同様に最適化することで対応可能であると思われる。

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今後の展開

1. ４月から現状の仕様でデモ機の貸出と予約受付を開始する。

• 大学、公的研究所、一般企業の研究所などから、既にデモ機の貸出依頼を多数（既に10件程度）受けている。また、海外からも問い合わせを受けている。 • 多くのデモ機ユーザからのフィードバックを得ることで、現在検討中の課題や新たな機能の実装を市販品に反映するのか否かの判断材料にする。これに基づいて、市販版１号機を早急に製作する。

2. 3月21日～23日に岡山大学津島キャンパスで開催される第54回

日本植物生理学会年会の併設展示会に弊社が出展して、本装

置を展示し、PRや情報収集およびデモ機貸出の受付を行う。他

の展示会（バイオテック2013に出品予定）や研究集会およびユー

ザ候補に対する個別訪問で同様な活動を進める。

3. 早急に（25年度前半に）国内販売を開始

する（想定している

販売

価格は300万円以内

）。また、

25年度内に海外販売も開始

したい。

4. シロイヌナズナやタバコ以外の種子に対する実施例を蓄積する。

特に農作物や園芸植物への応用が可能かを追試して検討する。