自己駆動液滴を構成要素として用いた液滴ロボットの設計と機能制御
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20K03881
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
田中 晋平 広島大学, 先進理工系科学研究科(総), 准教授 (40379897)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 自己駆動 / 液滴 / 界面活性 / 対称性の破れ / 一粒子状態 / 往復運動 / 自己駆動液滴集団 / 動的集団構造形成 / ロボット設計 / 遺伝的アルゴリズム |
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| Outline of Research at the Start |
水面に置かれた有機溶媒の液滴は、周囲の表面張力を変化させることによって運動することがある。この自己駆動現象は、液滴の組成や性質によって、並進・回転・振動など、様々な様式を取る。我々が最近見出した有機溶媒液滴は、液滴が集合して運動する特異な性質をもつ。本研究は、このような自己駆動する液滴の集団を、「液滴ロボット」として設計し、その機能開発に取り組むものである。この液滴ロボットは、異なる組成をもつ液滴がその要素である。この要素の情報をロボットの「遺伝型」とし、ロボットの挙動を「表現型」として考えることにより、液滴ロボットを生物のように進化させることが本研究の目的であり、研究手法である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、液滴ロボットの構成要素である、アクティブな液滴（界面活性剤を放出する液滴）とパッシブな液滴（界面活性剤を放出しない液滴）の相互作用について主に研究した。液滴ロボットは液滴を躯体とモーターの両方に利用する構想であるが、全ての液滴がその両方の役割を果たす必要はなく、躯体のみに利用する液滴はそれ自体では自己駆動しない、パッシブな液滴でもよい。本年度の実験及び理論的研究は、このパッシブな液滴の存在がアクティブな液滴の自己駆動性にどのように影響するのか、について、最も単純な2体系を用いて明らかにした。その結果、パッシブな液滴は真に受動的であるわけではなく、その存在によってアクティブな液滴の自己駆動性に大きな影響を与えることが明らかになった。最も大きな効果は、パッシブな液滴がアクティブな液滴から放出された界面活性剤を吸収することで、放出量が少ない場合でも効率的に界面活性剤濃度の勾配を維持する役割を果たすことである。この効果により、アクティブな液滴は、それ単体では自己駆動できないような条件下においても、パッシブな液滴が共存することによって自己駆動することが可能となる。これにより、アクティブな液滴の駆動持続時間が数倍に伸びることがわかった。また、パッシブな液滴の存在により、それまで観測されなかった運動モードが誘起されることも明らかになった。これらの結果は、国際学術誌のSoft Matterにて発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
液滴ロボットの構想は、様々な機能を果たす液滴を組み合わせることによって、液滴の集団としての「ロボット」を設計することである。これまでの結果により、実際にことなる性質をもつ液滴の組み合わせが、集団として異なる機能を発現することを明らかにしてきた。特に本年度の研究成果により、これまで液滴ロボットの躯体として用いる予定であったパッシブな液滴であっても、その存在が他のアクティブな液滴の振る舞いに大きな影響を与えることが分かった。今後、この成果を多数の液滴の組み合わせた系に拡張する必要があるが、これも予定通りである。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究はほぼ予定どおり進捗しているため、計画通り進めていく。これまでにはっきりと機能が分化できることが明らかになった液滴はアクティブ、パッシブの二種類に分類できるため、液滴ロボットの設計はこの二種類の液滴の存在比を変えることで行う。その後、アクティブさ、パッシブさ、を調整した液滴（液滴の組成によって調整できる）を用いて、より複雑な液滴ロボット設計を行う。当初予定していた進化的アルゴリズムの使用は、この段階において有用となることが予想される。液滴の調整、液滴運動の観察などの実験設備の整備は完了しており、今後も継続して利用する。さらに液滴ロボットの運動性を予想するシミュレーションツールもほぼ完成しており、これも今後利用していく予定である。
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Report
(3 results)
Research Products
(17 results)
