JP2008225201A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の圧電素子を個別に駆動して、各圧電素子の駆動に応じた駆動力を駆動対象に付与すること。
【解決手段】ハウジング４８内に、圧電素子５４、５５、間座５６、軸受５８、６０が収納され、軸受５８は、間座５６との当接により、軸受６０は、ロックナット６６との当接により、それぞれねじ軸５０の軸方向への移動が規制され、ロックナット６６の位置に応じた締結力が圧電素子５４、５５に付与される。圧電素子５４に電圧Ｖ１が印加されると、圧電素子５４の操作駆動に伴う押圧力がねじ軸５０を介してインジェクションピペット３４に付与され、細胞に針が挿入される。圧電素子５５に微動用電圧Ｖ０が印加されると、圧電素子５５の微動駆動に伴う押圧力が圧電素子５４、ねじ軸５０を介してインジェクションピペット３４に付与され、インジェクションピペット３の位置が微調整される。
【選択図】図２

Description

本発明は、マニピュレータに係り、特に、顕微鏡観察下で細胞に針を挿入して、細胞に核などを注入する技術に関する。

バイオテクノロジーの分野において、顕微鏡観察下で細胞に針を挿入して、細胞に核などを注入するマイクロマニピュレータとして、例えば、微小器具に連結された慣性体と摩擦面に配置された移動体との間に圧電素子を挿入し、慣性力によるインパクト動作と、圧電素子自体の伸び縮みによる超微動動作を行わせるようにしたものが提案されている（特許文献1参照）。このマイクロマニピュレータでは、ピペット固定部分に慣性力で駆動可能な圧電アクチュエータを取り付けることで、インジェクションが可能となっている。

また、操作支援ロボットを用いたシステムにおいて、オートステージとマニピュレータとをワンタッチで切替え、ジョイスティックで細胞を視野の中心に来るように、オートステージを移動し、ジョイスティックのヘッドスイッチをクリックしたときに、そのときの視野中心位置（細胞位置）の座標をモニタ上に表示し、ヘッドスイッチを操作しながら、ワンタッチでキャピラリーの退避・復帰を行い、インジェクション後、細胞を１個ずつウェルに収納するようにしたものが提案されている（非特許文献１参照）。この操作支援ロボットを用いたものでは、マニピュレータは手動のステージや、ステッピングモータとボールねじを用いたステージを用いて駆動している。
特公平６−９８５８４号公報 「単一細胞操作支援ロボット」 中央精機株式会社 ２００３年１１月発行

従来技術のうち前者のものは、圧電素子をインジェクションに用いているが、他の用途に用いることには配慮されておらず、後者のものは、微小な領域で操作する際、マニピュレータ先端の針の位置決めを正確に行わないと、折損、操作対象に対する針の空振り等が生じることが危惧される。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、複数の圧電素子を個別に駆動して、各圧電素子の駆動に応じた駆動力を駆動対象に付与するマニピュレータを提供することにある。

前記目的を解決するために、本発明は、駆動対象に連結される軸状部材と、前記軸状部材に連結されて印加電圧に応じて前記軸状部材の軸方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、を備え、前記圧電アクチュエータは、互いに直列に連結にされた複数の圧電素子を有し、前記制御手段は、前記複数の圧電素子をそれぞれ別々に駆動してなるマニピュレータであることを特徴とするものである。

本発明によれば、圧電アクチュエータの各圧電素子をそれぞれ別々に駆動して、軸状部材を移動させるようにしたため、各圧電素子の駆動に応じた駆動力を駆動対象に付与することができ、各圧電素子の機能を有効に利用して、駆動対象を駆動することができる。

前記マニピュレータを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。好適には、前記制御手段は、微動モードのときには前記複数の圧電素子のうち一方の圧電素子を微動駆動し、インジェクション操作モードのときには他方の圧電素子を操作駆動してなる。

この構成によれば、一方の圧電素子を微動駆動することで、駆動対象を微動させることができ、他方の圧電素子を操作駆動することで、駆動対象を操作動作させることができる。

好適には、前記制御手段は、前記各圧電素子に対して、前記各圧電素子の直線運動に伴う前記軸状部材のストロークに差が生じる電圧を印加してなる。

この構成によれば、各圧電素子に異なる電圧を印加することで、駆動対象を短いストロークで移動させたり、長いストロークで移動させたりすることができる。

好適には、前記一方の圧電素子と前記他方の圧電素子は互いに直列に接続され、前記一方の圧電素子または前記他方の圧電素子のうち少なくとも一方は、２個以上の圧電素子で構成されてなる。

この構成によれば、単一の圧電素子では、微動ストロークやインジェクションのストロークが不足する場合でも、微動ストロークやインジェクションのストロークを確実に確保することができる。

本発明によれば、複数の圧電素子を個別に駆動して、各圧電素子の機能を有効に利用することができる。また、本発明によれば、微動ストロークを確実に確保できるとともに、インジェクションのストロークを長く要するときにも圧電素子の変位を有効に利用することが可能なマニピュレータを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す細胞マニピュレータのブロック構成図である。図１において、マニピュレータシステム１０は、顕微鏡観察下で細胞等の対象物に人口操作を実施するためのシステムとして、顕微鏡ユニット１２と、ホールディング用マニピュレータ１４と、インジェクション用マニピュレータ１６とを備えており、顕微鏡ユニット１２の両側にマニピュレータ１２、１４が分かれて配置されている。

顕微鏡ユニット１２は、カメラ１８、顕微鏡２０、ベース２２を備えており、円盤状のベース２２の上方に顕微鏡２０が配置され、顕微鏡２０にはカメラ１８が連結されている。ベース２２上には細胞等の対象物が載置されるようになっており、ベース２２上の細胞（図示せず）に顕微鏡２０から光が照射されるようになっている。ベース２２上の細胞で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、細胞に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後カメラ１８で撮像されるようになっており、カメラ１８の撮像による画像を基に細胞を観察することができる。

ホールディング用マニピュレータ１４は、直交３軸構成のマニピュレータとして、ホールディングピペット２４、ＸＹ軸テーブル２６、Ｚ軸テーブル２８、ＸＹ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０、Ｚ軸テーブル２８を駆動する駆動装置３２を備えて構成されており、ホールディングピペット２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、Ｚ軸テーブル２８はＸＹ軸テーブル２６上に上下動自在に配置されている。ＸＹ軸テーブル２６は、駆動装置３０の駆動により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル２８は、駆動装置３２の駆動により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されている。Ｚ軸テーブル２８に連結されたホールディングピペット２４は、ＸＹ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベース２２上の細胞等を保持するように構成されている。

インジェクション用マニピュレータ１６は、直交３軸構成のマニピュレータとして、インジェクションピペット３４、ＸＹ軸テーブル３６、Ｚ軸テーブル３８、ＸＹ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２を備えて構成されており、インジェクションピペット３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、Ｚ軸テーブル３８はＸＹ軸テーブル３６上に上下動自在に配置されている。ＸＹ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動により、Ｘ軸またはＹ軸に沿って移動するように構成され、Ｚ軸テーブル３８は、駆動装置４２の駆動により、Ｚ軸に沿って（鉛直軸方向に沿って）移動するように構成されているとともに、ベース２２上の細胞等を、針を挿入するための挿入対象とするインジェクションピペット３４に連結されている。すなわち、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８は、駆動装置４０、４２の駆動により、ベース２２上の細胞等を含む三次元空間を移動領域として移動し、インジェクションピペット３４の位置、例えば、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入するための挿入位置を制御する三次元軸移動テーブルとして構成されている。

また、これらテーブルは、移動テーブルとしての機能の他に、ナノポジショナとしての機能を備え、インジェクションピペット３４を往復動自在に支持するととともに、インジェクションピペット３４をその長手方向（軸方向）に沿って微動駆動するように構成されている。

具体的には、これらテーブルには、ナノポジショナとして、図２に示す微動機構４４、または図３に示す微動機構４６が付加（内蔵）されている。

微動機構４４は、圧電アクチュエータの本体を構成するハウジング４８を備えており、略円筒状に形成されたハウジング４８内には、インジェクションピペット３４の根元側に連結されたねじ軸５０が挿通されているとともに、円筒状のスペーサ５２、円筒状の圧電素子５４、５５、円筒状の間座５６がねじ軸５０の外周側に収納されており、スペーサ５２の外周側には、軸受５８、６０が内輪間座６２を間にして収納されている。

軸受５８、６０は、それぞれ内輪５８ａ、６０ａと、外輪５８ｂ、６０ｂと、内輪５８ａ、６０ａと外輪５８ｂ、６０ｂ間に挿入されたボール５８ｃ、６０ｃを備え、各内輪５８ａ、６０ａがスペーサ５２の外周面に嵌合され、各外輪５８ｂ、６０ｂがハウジング４８の内周面に嵌合され、スペーサ５２を介してねじ軸５０を回転可能に支持するようになっている。軸受５８は、ハウジング４８の内周面に嵌合された間座５６との当接により、ねじ軸５０の軸方向への移動が規制され、軸受６０はスペーサ５２に嵌合されたロックナット６６との当接により、ねじ軸５０の軸方向への移動が規制されるようになっている。

ハウジング４８の一端側には孔４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄが形成されているとともに、円環状の蓋６４が固定されており、他端側には、スペーサ５２の軸方向端部とねじ軸５０に締結されたロックナット６６が配置されている。

予圧調整は間座５４の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受５８、６０へ適切な予圧力を与える。これにより、軸受５８、６０に所定の予圧が付与され、軸受５８、６０の外輪間に軸方向間距離としての間隙６３が形成される。

圧電素子５４は、孔４８ａ、４８ｂ内にそれぞれ挿入されたリード線７０、７２を介して制御回路（図示せず）に接続され、圧電素子５５は、孔４８ｃ、４８ｄ内にそれぞれ挿入されたリード線７１、７３を介して制御回路（図示せず）に接続されている。圧電素子５４と圧電素子５５は、互いに直列になって連結され、制御回路からの電圧に応じてインジェクションピペット３４の長手方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータの一要素として構成されている。

例えば、圧電素子５４は、インジェクション操作モードのときに、制御回路からインジェクション用電圧として、例えば、図４に示すような矩形波状の電圧Ｖ１が印加されたときには、この印加電圧Ｖ１に応答して、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入するための押圧力をインジェクションピペット３４に付与するようになっている。一方、圧電素子５５は、微動モードのときに、制御回路から、電圧Ｖ１よりもレベルの低い微動用電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、ねじ軸５０をその長手方向（軸方向）に沿って微動させて、インジェクションピペット３４の位置を微調整するようになっている。

インジェクション用電圧としては、矩形波状の電圧Ｖ１の代わりに、図５（ａ）に示すように、時間勾配を有する台形波状の電圧Ｖ２を用いることができる。この場合、電圧Ｖ２を、初期値から最大印加電圧に達するまでの時間ｔ１と最大電圧から初期値になるまでの時間ｔ２がそれぞれ同じになるように設定することで、インジェクションの際に、細胞へ針を挿入するときの速度と細胞から針を抜くときの速度をそれぞれ同じにすることができる。また、電圧Ｖ２の代わりに、図５（ｂ）に示すように、初期値から最大印加電圧に達するまでの時間ｔ３と最大電圧から初期値になるまでの時間ｔ４がそれぞれ異なる電圧Ｖ３を用い、インジェクションの際に、細胞へ針を挿入するときの速度と細胞から針を抜くときの速度をそれぞれ個別に設定することもできる。さらに、インジェクション用電圧としては、図６に示すように、三角波状の電圧Ｖ４を用いることができる。この場合も、初期値から最大印加電圧に達するまでの時間ｔ５と最大電圧から初期値になるまでの時間ｔ６を任意に設定することができる。

また、インジェクション用電圧を設定するに際しては、使用する細胞の性質に合わせて、電圧の振幅や電圧の波形を調整することが望ましい。

微動機構４６は、圧電アクチュエータの本体を構成するハウジング７４を備えており、略円筒状に形成されたハウジング７４内には、インジェクションピペット３４の根元側に連結されたねじ軸（軸状部材）７６の軸方向一端側と、ねじ軸７６の外周側を囲む円筒状のスペーサ７８が収納されているとともに、圧電素子８０、間座８２、軸受８４、８６が収納されている。圧電素子８０は、ねじ軸７６の延長線上に、間座８２を介してねじ軸７６と直列になって配置されており、間座８２は、ねじ軸７６の軸方向端部に噛合されたロックナット８８を囲むように配置されている。軸受８４と軸受８６は内輪間座９０を間にしてスペーサ７８の外周側に配置されている。

軸受８４、８６は、それぞれ内輪８４ａ、８６ａと、外輪８４ｂ、８６ｂと、内輪８４ａ、８６ａと外輪８４ｂ、８６ｂ間に挿入されたボール８４ｃ、８６ｃを備え、各内輪８４ａ、８６ａがスペーサ７８の外周面に嵌合され、各外輪８４ｂ、８６ｂがハウジング７４の内周面に嵌合され、スペーサ７８を介してねじ軸７６を回転可能に支持するようになっている。軸受８４は、ハウジング７４の内壁面との当接により、ねじ軸７６の軸方向への移動が規制され、軸受８６は、ねじ軸７６の頭部に嵌合されたロックナット８８との当接により、ねじ軸７６の軸方向への移動が規制されるようになっている。

ハウジング７４の一端側には、ねじ軸７６をガイドする円環状のガイド筒９２が固定され、他端側には、圧電素子８０、８１に対して、ねじ軸７６の軸方向への移動を規制する蓋９４が固定されている。蓋９４には凹部９４ａが形成されているとともに、孔９４ｂ、９４ｃ、９４ｄ、９４ｅが形成されており、蓋９４の凹部９４ａと間座８２の凹部８２ａとの間に圧電素子８０、８１が挿入されている。

予圧調整は間座８２の長さを調整することによって押圧力を調整させ、軸受８４、８６へ適正な予圧力を与える。これにより、軸受８４、８６に所定の予圧が付与され、軸受８４、８６の外輪間に軸方向間距離としての間隙９３が形成される。

圧電素子８０は、蓋９４の孔９４ｂ、９４ｅ内にそれぞれ挿入されたリード線９６、９８を介して制御回路（図示せず）に接続され、圧電素子８１は、蓋９４の孔９４ｃ、９４ｄ内にそれぞれ挿入されたリード線１００、１０２を介して制御回路（図示せず）に接続されている。圧電素子８０と圧電素子８１は、互いに直列になって連結され、制御回路からの電圧に応じてインジェクションピペット３４の長手方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータの一要素として構成されている。

圧電素子８０は、インジェクション操作モードのときに、制御回路からインジェクション用電圧、例えば、図４に示す電圧Ｖ１が印加されたときには、この印加電圧Ｖ１に応答して、インジェクションピペット３４の先端側からベース２２上の細胞に対して、針を挿入するための押圧力をインジェクションピペット３４に付与するようになっている。一方、圧電素子８１は、微動モードのときに、制御回路から、電圧Ｖ１よりもレベルの低い微動用電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、ねじ軸７６をその長手方向（軸方向）に沿って微動させて、インジェクションピペット３４の位置を微調整するようになっている。この場合も、インジェクション用電圧としては、電圧Ｖ１の代わりに、図５または図６に示すように、電圧Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を用いることができる。

上記構成において、インジェクション用マニピュレータ１６を駆動するに際しては、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８を粗動駆動して、インジェクションピペット３４をベース２２上の細胞に近づけて位置決めした後、微動機構４４または微動機構４６を用いてインジェクションピペット３４を微動駆動することとしている。

具体的には、図７に示すように、駆動装置４０、４２に内蔵された粗動用モータに対して、粗動指令２００としてパルス信号を印加すると、粗動用モータのうちＸ軸用モータ、Ｙ軸用モータ、Ｚ軸用モータがパルス信号に応答して回転駆動し、ＸＹ軸テーブル３６がＸ軸またはＹ軸方向に沿って漸次ベース２２に近づく方向に移動するととともに、Ｚ軸テーブル３８がＺ軸に沿って漸次ベース２２に近づく方向に移動する。この場合、粗動用モータとして、ステッピングモータが用いられたときには、粗動指令２００は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸用モータを設定回転数で回転させるために必要な角度ステップ数に相当するパルス信号を出力することになる。

また、微動機構４４の圧電素子５４又は５５、又は微動機構４６の圧電素子８０又は８１には、初期設定電圧Ｖｓが印加されているだけであり、圧電素子５４、５５は、軸受５８、６０の予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態に、圧電素子８０、８１は、軸受８４、８６の予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態にある。

ＸＹ軸テーブル３６またはＺ軸テーブル３８の移動に伴ってインジェクションピペット３４が粗動用目標位置に到達すると、ＸＹ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の駆動が停止され、その後、駆動装置４２に微動指令２０２が印加される。駆動装置４２に微動指令２０２が印加されると、微動機構４４の圧電素子５５または微動機構４６の圧電素子８１に、微動指令２０２に従った微動用電圧Ｖ０が印加され、インジェクションピペット３４がその長手方向に沿って微動し、ベース２２上の細胞に対する挿入位置に位置決めされる。

例えば、微動機構４４を用いた場合、微動機構４４では、軸受５８、６０のうち軸受５８の内輪と外輪の変位量であって、圧電素子５５の変位の半分の変位量がインジェクションピペット３４の微動変位量に設定されていることから、圧電素子５５には、微動変位量の２倍の変位を与えるための制御電圧と初期設定電圧Ｖｓとを加算した微動用電圧Ｖ０が印加されることになる。

このとき、例えば、圧電素子５５に２ｘの伸びが生じたときには、この伸びによる押圧力は微動制御を行う前の予圧荷重に加えて軸受６０の外輪６０ｂを押圧し、軸受５８の外輪５８ｂを軸方向（図２の右方向）に移動させ、軸受５８、６０の各外輪５８ｂ、６０ｂ間の間隙６３が２ｘ分更に狭くなって圧電素子５５の軸方向の伸びを吸収する。

この間隙６３の変位は、弾性変形に伴って軸受５８、６０がそれぞれ軸方向にｘずつ変位し、軸受５８の外輪５８ｂが軸方向に合わせて２ｘ変位することにより生じる。
逆に、圧電素子５５が２ｘ縮むと押圧力が減少し、軸受５８、６０の弾性変形がそれぞれｘずつ減少し、間隙６３が拡がる方向に、軸受５８の外輪５８ｂが軸方向に合わせて２ｘ変位することになり、圧電素子５５の縮み分を吸収する。

このように、間隙６３の変位２ｘを軸受５８、６０がｘずつ分けて吸収するので、軸受５８、６０を互いに押圧する力がバランスしたときに、スペーサ５２に嵌合している軸受５８、６０の内輪５８ａ、６０ａがスペーサ５２とねじ軸５０とともに軸方向にｘ変位する。これにより、ねじ軸５０に連結されているインジェクションピペット３４が軸方向にｘだけ変位する。つまり、圧電素子５５の２ｘの変位の半分の変位量がインジェクションピペット３４の微動変位量となって、インジェクションピペット３４が挿入位置に位置決めされる。

インジェクションピペット３４が挿入位置に位置決めされたときには、位置決めが完了したとして、インジェクション操作モードとなり、微動機構４４の圧電素子５４または微動機構４６の圧電素子８０に、微動指令２０２に従ったインジェクション用電圧として、例えば、電圧Ｖ１が印加され、ベース２２上の細胞に対して、インジェクションピペット３４の先端側から針が挿入される。

本実施形態によれば、微動機構４４の圧電素子５５または微動機構４６の圧電素子８１に微動電圧Ｖ０を印加することで、インジェクションピペット３４に対して微動動作をさせることができ、微動機構４４の圧電素子５４または微動機構４６の圧電素子８０にインジェクション用電圧Ｖ１を印加することで、インジェクションピペット３４に対してインジェクション動作をさせることができ、構成の簡素化を図ることができるとともに、インジェクションピペット３４に対する位置決めを高精度に行うことができる。

また、本実施形態によれば、微動機構４４または４６に微動モード時に駆動する圧電素子５５または８１とインジェクション操作モード時に駆動する圧電素子５４または８０を設け、各モードに応じて各圧電素子を個別に駆動するようにしたため、微動ストロークを確実に確保できるとともに、インジェクションのストロークを長く要するときにも圧電素子の変位を有効に利用することが可能になる。

前記実施形態においては、Ｚ軸にナノポジショナとしての微動機構４４、４６を適用したものについて述べたが、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての軸にナノポジショナ構造のサポート軸受を適用することができる。

また、前記実施形態において、微動機構４４、４６において、微動用の圧電素子として、単一の圧電素子５５、８１を用い、インジェクション用の圧電素子として、単一の圧電素子５４、８０を用いているが、微動用の圧電素子またはインジェクション用の圧電素子のうち少なくとも一方の圧電素子を２個以上のもので構成し、これらを互いに直列に連結する構成を採用することもできる。このような構成すると、単一の圧電素子では、微動ストローク、インジェクションのストロークが不足する場合でも、微動ストロークやインジェクションのストロークを確実に確保することができる。

本発明の一実施形態を示す細胞マニピュレータのブロック構成図である。 微動機構の一実施例を示す断面図である。 微動機構の他の実施例を示す断面図である。 インジェクション用電圧として矩形波状の電圧を用いたときの波形図である。 インジェクション用電圧として台形状の電圧を用いたときの波形図である。 インジェクション用電圧として三角波状の電圧を用いたときの波形図である。 インジェクション用マニピュレータの粗動時、微動時およびインジェクション時の動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１０ マニピュレータシステム
１２ 顕微鏡ユニット
１４ ホールディング用マニピュレータ
１６ インジェクション用マニピュレータ
１８ カメラ
２０ 顕微鏡
２２ ベース
３４ インジェクションピペット
３６ ＸＹ軸テーブル
３８ Ｚ軸テーブル
４０、４２ 駆動装置
４４、４６ 微動機構
５４、５５、８０、８１ 圧電素子

Claims (4)

1. 駆動対象に連結される軸状部材と、前記軸状部材に連結されて印加電圧に応じて前記軸状部材の軸方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、を備え、前記圧電アクチュエータは、互いに直列に連結にされた複数の圧電素子を有し、前記制御手段は、前記複数の圧電素子をそれぞれ別々に駆動してなるマニピュレータ。
2. 前記制御手段は、微動モードのときには前記複数の圧電素子のうち一方の圧電素子を微動駆動し、インジェクション操作モードのときには他方の圧電素子を操作駆動してなる請求項１記載のマニピュレータ。
3. 前記制御手段は、前記各圧電素子に対して、前記各圧電素子の直線運動に伴う前記軸状部材のストロークに差が生じる電圧を印加してなる請求項１記載のマニピュレータ。
4. 前記一方の圧電素子と前記他方の圧電素子は互いに直列に接続され、前記一方の圧電素子または前記他方の圧電素子のうち少なくとも一方は、２個以上の圧電素子で構成されてなる請求項１乃至３のいずれか１項記載のマニピュレータ。

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