害虫防除・キノコ工場・植物工場の研究

および食品用小型MRI装置の開発

金沢工業大学 工学部 電気電子工学科

教授 平間淳司

1

新技術の概要

(1)「生き物」から誘発する微弱な生体電位から生き物の「気持ちを知り」バイオ制御技術に応用

(2)昆虫では網膜電位から防除光源装置の開発、キノコでは子実体の生体電位、植物では葉面電位から至適成育環境調節を実現

(3)食品用の小型ＭＲＩ装置の開発に成功

特徴(1)外的刺激に対する「生き物の気持ち」を間接に知る

(2)害虫防除光源装置の開発およびキノコや植物工場の環境調節技

術の開発

(3)食品向け小型・低磁場型ＭＲＩ装置

2

(1) 光線利用による無(減)農薬の害虫防除装置の開発に向けて

ー 昆虫の網膜電位応答特性に基づく －

マイマイガ、ゴキブリなど

(2) キノコ工場の生育環境調節生体電位の環境応答特性に連動した環境調節

(3) 植物(ワサビ)工場の生育環境調節

植物体の葉面電位応答などに基づく生理活性度診断による環境制御

(4) 食品の熟度診断を目指した小型・軽量MRI装置の開発

主要な研究テーマ

産学官の連携（共同）による研究体制が主体3

産学官連携による教育・研究体制

広島県農業研究センタ

・害虫防除（栽培一般）

ＫＩＴ金沢工大平間研究室

本学発ベンチャーイーグルテクノロジー

ＫＩＴ先端電子技術応用研究所

ＭＲＩ装置

サカ・テクノサイエンス

植物工場(わさび栽培)

Ａ社

・害虫防除（ゴキブリ)

Ｂ社 キノコ工場

4

例： カメムシの複眼に針電極を刺し、網膜電位(ＥＲＧ信号)を測定

光質による刺激力を知る

網膜電位(ERG信号)の測定データ

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 1 2 3 4

時間 [s]

ER

G信

号 (

CH

1) [

mV

]

-10

0

10

20

30

40

50

60

ER

G信

号 (

CH

2) [

mV

]

♀波長: 500[nm]

光刺激

オオタバコガ光強度: 20[mW/㎡]

CH2(下部)

CH1(上部)

害虫防除 LED光源装置の開発カメムシ・蛾・蚊・ゴキブリなど

5

マイマイガ

農薬散布 ・ フェロモントラップ

農作物や山林に被害をあたえる食葉性害虫

主な防除方法

研究目的

光線利用による物理的害虫防除光源装置の開発

オス♂

メス♀

網膜電位信号)の計測

有効な光刺激のパターンを検討

ハイリスク港6

ゴキブリ

薬剤粘着トラップ

幼児やペットなどの誤飲の危険性

食中毒菌や各種の病原微生物の伝播による伝染病などの拡大を引き起こす雑食性の昆虫

主な防除方法

害虫防除の提案

厨房（ゴキブリには良く見える光）

LED光源を用いて忌避・誘引などの防除

忌避させたい

誘引させて駆除（薬殺・電撃殺）

コンビニ・レストランのホール（ゴキブリには見える・人には見えない光）

背景 チャバネゴキブリ クロゴキブリ

7

マイマイガのオスとメスの網膜電位(ERG信号)の波長依存性結果

5[mW/㎡] 50[mW/㎡]

5[mW/㎡] ： メスは540 nmからVppが下降

オスは560 nmからVppが下降

50[mW/㎡] ： 両性は ほぼ同じ反応

8

ERG信号の測定結果(ゴキブリ)

・近紫外域と緑色域の光刺激波長でVpp値が大・赤色域での反応が小さい（赤外域ではさらに小）

クロゴキブリ

刺激波長を300 nmから700 nmの計23種(20 nmステップ)に設定

9

石川県農林総合研究センターの圃場にてLED光源装置の設置風景

害虫が嫌いな黄色光

太陽光発電システムを利用

農地に設置・試験運用の風景

この例では、オオタバコガとハスモンヨトウが対象 （ヤガ類）

10

ＬＥＤ Lighting

黄色ランプ

キャベツ

被害が多い

Dark11

実験システム(ゴキブリ用)

375 nm

LED

520 nm

LED

行動観察用アクリルケース

80 cm

80 cm

実験システム

12

375 nmの連続光に対する

忌避効果が弱い

走光性の結果(ゴキブリ) [375 nmのみ点灯]

375 nmの点滅光に対する

忌避効果が弱い

点滅光連続光

発光前 発光後 発光前 発光後

13

茸の電気生理

針電極を挿入し生体電位を計測

各種光刺激に対する応答性から「好き/嫌い」な光で会話中

植物の電気生理

葉面電位を計測して、植物と会話植物 の生命現象から多くのことを学ぶ

・バイオセンサの開発

・植物工場の食物栽培技術の 開発

SMA(Ｓｐｅａｋｉｎｇ Ｍｕｓｈｒｏｏｍ Ａｐｐｒｏａｒｃｈ)

方式の茸生育環境制御システム

14

SMA方式の茸工場モデル15

16

1

生体電位：外的刺激環境に鋭敏に反応

これがきっかけとなり研究がスタート

銀針電極銀針電極

マイタケ子実体に針電極を挿入して生体電位を計測

16

17

22

生体電位変化量

δON・δOFF

の定義

青色波長で生体電位変化量が特に大きくなっている

光波長の違いによる生体電位応答特性

生体電位の

光波長依存特性

17

実験室内での栽培実験 キノコは「青い光」が好き

手作りの形態形成実験装置(PC制御)

ナメコの実験

マイタケの実験

18

大きさ

形

色

実験1日目実験4日目実験7日目実験10日目

○

◎

○

実験13日目(最終日)

青い光での形態形成実験

◎:とても良い ○:良い

△:良くない ×:悪い

19

大きさ

形

色

実験1日目実験4日目実験7日目実験10日目

○

×

△

実験13日目(最終日)

赤い光での形態形成実験

◎:とても良い ○:良い

△:良くない ×:悪い

20

キノコの生体電位変化から環境変化に対する電位応答特性を計測環境変化と電位変化パターンのこれまでの蓄積データを照合して、環境調節を実施

目指すSMAシステム

21

SMA方式 茸の生体電位(時系列データ)

(1) 実効値制御↓

光源を強制点灯全栽培区間での生育不良を防ぐ

(2) 傾き制御↓

光源のＯＮ/ＯＦＦ消費電力の削減及び生長の促進

(3) 短区間FFT制御↓

光源の光強度を増加

任意の栽培区間の生育不良を防ぐ

(4) 長区間FFT制御↓

青色LED光源の点灯に白色LED光源の点灯を

追加収穫期直前の生長促進

高効率生育制御システムの実現

光源の制御

変動成分を光源制御に利用

光源セレクタ機能により光源制御系の安定性を実現

22

生体電位制御光源装置試作機による小規模栽培試験装置

Ａ社の小規模栽培室テストラン

試作したSMA制御装置

針電極

青LEDで栽培

23

24

生体電位

白色 LED 青色 LED

閾値

実効値

9

生体電位の変動成分の実効値から生理活性状態を診断

分析窓長:120Point(2時間)

(1Point/分)

ずらし:30Point(30分)

閾値:0.025V/min

閾値以上：生育良好、他の制御系の点灯命令を優先

閾値以下：生育不良、光源を強制点灯

光源の点灯制御 (実効値制御)

24

生体電位

白色 LED 青色 LED

閾値

長区間 FFT

15

自発性のリズム変動成分(約半日周期)から子実体の生育過程を判別収穫期直前を見分ける

分析窓長:2048Point(約1.4日)

(1Point/分)

ずらし:30Point(30分)

閾値:約20dB

閾値以上：光源を青色LED、菌傘の生長を優先して促進

閾値以下：光源を白色LED、まいたけ全体の生長を促進

光源の色を変更子実体の生長促進制御

光源の色制御(長区間FFT制御)

25

4/28 4/29 4/30 5/1 5/2 5/3 5/4 5/5 5/6 5/7 5/8 5/9 総時間 平均

4.6 16.7 17.5 18.3 14.7 15.5 8.0 11.8 19.8 18.8 19.1 9.9 174.6 17.0

3.4 15.8 17.3 17.9 14.5 14.4 6.3 8.6 19.0 16.8 18.1 9.9 161.9 15.6

光源状態

10W/m2点灯時間

[時間]

日付

光源点灯時間

[時間]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

-12

-6

0

6

12

18

24

4/28 4/29 4/30 5/1 5/2 5/3 5/4 5/5 5/6 5/7 5/8 5/9 5/10 2012年 日付

10W/m2

6W/m2

10W

/m

2点灯時間

[時間

]

点灯時間

放射束密度

10W/m2点灯時間

17

制御結果

白色LED 白色LED

生体電位による基本的な環境制御を確認

光源のON/OFF 白色LEDの点灯 放射束密度の変更

光源のON/OFF、光源の色、放射束密度制御の結果

26

太陽光併用型植物工場

みず菜 工場

みつ葉 工場

27

SPA(Speaking Plant Approach)の技術を導入する

植物(栽培媒体)の気持ちを計測技術を駆使しながら、栽培環境調節を積極的に行う技術。これまでは、栽培現場の農業従事者の経験と勘に依存していた

ＬＥＤやＥＬ光源

28

キャンパス内に設置中の植物工場

キャンパス外にて本格的な完全自動環境制御型植物工場を設置中

水耕栽培

29

新SPAシステム（国内初）新SPAシステム（国内初）

従来のSPAシステムの機能に加え、生体電位計測、クロロフィル蛍光診断などの

生体計測も活用し、環境制御に反映させたシステム

6

30

31

生体（葉面）電位計測の特徴

・サーカディアンリズム・環境変化 ．VS. 葉面電位応答

植物が生育に適する環境最適栽培環境制御へ

葉面電位

健康な植物 → 電位反応が活発

植物体に光・温度・湿度などの刺激を与えることで、植物から微弱な電位が誘発

弱っている植物 → 電位反応が鈍い

SPAシステムへ導入

平間研の植物工場でのわさび栽培

CLOUDによる環境自動制御システム

・わさびの葉面に電極を貼り付ける

・微弱な電気（生体電位）を常時計測

して植物体の「気持ち」を知る

・健康管理による生育環境制御の試み

32

定植後6ヶ月

収穫時の生育状況

収穫したわさびの根

「芋」部分

わさび田に比べて約4倍の生育速度

33

例えばNMR測定による

水溶液の緩和時間測定- 糖度・ビタミンCの濃度依存性 -

食品の熟度診断を目指した小型・軽量

MRI装置の開発

34

研究背景

核磁気共鳴（NMR）信号を用いて果実類の成分などを分析できる装置を開発

NMRを用いた果実類の

成分分析

果実を破壊し果汁を

抽出して測定

低磁場強度ではNMR信号

が弱い

強磁場を用いて高いS/N比

を確保する必要

試作・開発したＮＭＲ測定装置

低磁場（52 mT）での

NMR信号の検出に成功

・低磁場でS/N比の確保

・試料フォルダの拡大

・非破壊で可能35

測定精度や安定性向上の緩和時間測定装置の

試作

目的

・ 糖度・ビタミンＣの濃度依存性

・ 果実類（バナナ）の熟度変化と緩和時間の測定

研究背景

36

制御用PC

MRI TRANSCEIVER

GRADIENT

POWER SOURCE

併せてMR画像撮影システムの開発

52mT永久磁石

磁石温度調整器GRADIENT

POWER SUPPLY

RF Po-AMP

MRI計測制御ユニット

一体型ユニット

170kg

37

測定結果 －糖度・ビタミンC濃度変化 －

ビタミンＣ

砂糖水

糖度が増加

Ｔ１、Ｔ２緩和時間は

短くなる

濃度が増加

Ｔ１、Ｔ２緩和時間は

ほぼ変化しない

38

バナナの熟度変化と緩和時間の関係を調査

条件・測定期間 ：8日・室温 ：25℃・サンプル数 ：3個・測定項目1．緩和時間2．糖度3．生体重館4．外観5．MR画像

測定条件 －バナナ－

糖度・生体重は毎日測定終了後に計測

（計測には糖度計および電子天秤を使用）

糖度計（PEN-1st、ATAGO社製）

39

測定結果 －バナナ（緩和時間）－

糖度が増加

Ｔ１緩和時間は

短くなる

生体重が減少

Ｔ２緩和時間は

短くなる

緩和時間

T1

緩和時間

T2

40

バナナの外観：最終日には表面全体がほぼ黒くなり腐敗

ＭＲ画像 ：バナナの皮と果肉の間および果肉の中心

部分に空間

測定結果 －バナナ（外観・ＭＲ画像）－

バナナ外観

ＭＲ画像

１日目 ４日目 ８日目（最終日）

41

TR=300ms 128×128pixel

32枚撮影 FOV＝165mm

撮影時間：42分

クリアに見えるアキシャル面

みかん

ピーマン

MR画像例

42

一般的なMRI装置は鮮明な画質を得るために

1T以上の高磁場を発生させる磁石を使用

高磁場を発生させる静磁場発生装置が必要

シールドルームも必要

装置が高価、重い（10ｔ以上）

安価、軽量、小型の低磁場型MRI装置の開発

開発中： 0.15Tの磁場強度, 磁石重量1.7ｔ

脳外科医から要望に応えて

43

開発中の0.15T用MRI装置

脳外科医： 術後の診断（血流や縫合）

オペ室に即座に移動（高画質は不要）

計測･制御系信号･検出系

磁石重量： 僅か1.7ｔ44

本学で開発中の超コンパクト型MRI装置

核磁気共鳴信号

撮影に成功した断層画像例

超コンパクトMRI装置(頭部用)も開発（脳外科用）

重量 1.7t

45

新技術の概要

(1)「生き物」から誘発する微弱な生体電位から生き物の「気持ちを知り」バイオ制御技術に応用

(2)昆虫では網膜電位から防除光源装置の開発、キノコでは子実体の生体電位、植物では葉面電位から至適成育環境調節を実現

(3)食品用の小型ＭＲＩ装置の開発に成功した。

特徴

(1)外的刺激に対する「生き物の気持ち」を間接に知る

(2)害虫防除光源装置の開発およびキノコや植物工場の環境調節技

術の開発

(3)食品向け小型・低磁場型ＭＲＩ装置

46

問い合わせ先

• 金沢工業大学

• 産学連携局 産学連携東京分室

• 新川 実、高田 理尋

• TEL 03-5777-2243

• FAX 03-5777-1965

• E-mail iuctky@mlist.kanazawa-it.ac.jp

47

ご静聴ありがとうございました

48