磁場による磁性微粒子の3次元位置制御技術の確立

Research Project

Project/Area Number	21K12662
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
Research Institution	Utsunomiya University
Principal Investigator	佐久間洋志宇都宮大学, 工学部, 准教授 (40375522)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000) Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	永久磁石 / 有限要素法 / 位置制御 / 進化的計算 / 磁性微粒子 / 最適化
Outline of Research at the Start	磁場により磁性微粒子の位置を3次元的に制御する技術は，PCR法の高効率化・高機能化や磁気ドラッグデリバリーの実用化に役立つと考えられるが，未だ確立されたとは言い難い．その根底にはアーンショウの定理が示す，磁場制御の難しさがあると考えられる．本研究ではその問題を回避しつつ，改良型のローラー型永久磁石式磁場源を用いて磁場を巧みに調整することにより，溶液中の磁性微粒子を3次元的に制御する技術を確立することを目的とする．磁場の設計には，人工知能の一分野である進化的計算を用い，人間の経験や直感に頼らない最適化計算を行う．
Outline of Annual Research Achievements	永久磁石に砂鉄やクリップなどの磁性体が引き付けられる現象は誰でも知っているが，逆に永久磁石から遠ざかる現象を目にすることは少ない．N極とN極は互いに退け合うが，向きが固定されていなければ容易に反転して，N極とS極が引き付け合ってしまうからである．しかし，複数の永久磁石や電磁石を用いて磁場をうまくコントロールすると，磁性体を磁石から遠ざけることもできる．これまで，磁性体の移動を平面（2次元）に制限することにより，磁性体を任意の方向に移動させる実験が報告されているが，本研究ではこれを3次元に拡張することを目的とする．磁場の発生には一般的に電磁石が用いられるが，大きな電力を消費する．実は時間的に一定な磁場を作り出すにはエネルギーは必要なく，消費電力のすべてはジュール熱として捨てられる．本研究では，エネルギー消費なしに磁場を発生することができる永久磁石を用いる．特にネオジム磁石は日本で発明された強力な永久磁石であり，この磁石をモータで回転させることにより3次元の磁場を制御する．令和3年度においては，永久磁石を用いた磁場発生装置と，2つのビデオカメラを用いて磁性体の3次元的な位置を測定する装置を製作した．また，ある磁石を回転させた場合に磁性体がどの方向に回転し，どの方向に移動するのかを計算により系統的に調べた．令和4年度においては，これらの装置と計算により得られた知見を用いて磁性体の位置を制御する実験を行った．まず，スライム中に置いた磁性体を磁場制御装置の真上で静止させる実験を行ったところ，狙い通りにフィードバック制御が働き，開始後しばらくすると位置が安定することを確認した．続いて，正四面体や円といった任意の経路を一定の速度で移動させる実験を行った．フィードバックの効き具合やスライムの粘度を調整することにより，任意の経路を動かすことが可能となった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和3年度においては，3次元磁場シミュレータを導入し，磁石角度が与えられた場合の周辺の磁場の計算と，ある位置に任意の磁場を発生させるための磁石角度を進化的計算により求める手法を確立した．また，ある磁石を回転させた場合に磁性体がどの方向に回転し，どの方向に移動するのか，系統的に調べた．続いて永久磁石を用いた磁場発生装置と，2つのビデオカメラを用いて磁性体の3次元的な位置を測定する装置を製作した．令和4年度においては，これらの装置を用いて，磁性体の位置制御を試みたところ，条件はあるものの特定の位置に留まらせたり，任意の経路を移動させるといった制御に成功し，計画通りに進んでいる．
Strategy for Future Research Activity	令和４年度までに，永久磁石による磁性体の位置制御の最初の論文のための主なデータがそろった．令和5年度においては，論文執筆と投稿を予定している．それと同時に，進化的計算による磁場制御用永久磁石の角度最適化や実験と計算による移動範囲や速度の向上に取り組む予定である．