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側壁駆動によるマイクロ流体デバイス流体制御システムの統合

Research Project

Project/Area Number 23K21860
Project/Area Number (Other) 21H03837 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 90130:Medical systems-related
Research InstitutionInstitute of Science Tokyo

Principal Investigator

高山 俊男  東京工業大学, 工学院, 准教授 (80376954)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 金子 真  名城大学, 理工学部, 教授 (70224607)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Keywordsマイクロ流体デバイス / マイクロミキサ / マイクロポンプ
Outline of Research at the Start

細胞培養実験や化学物質の反応実験では広い空間と大量のサンプル消費が必要となる.そこで近年顕微鏡下で少量のサンプルで実験を行えるマイクロ流体デバイスが注目を浴びているが,マイクロ流体デバイスは複雑な流体制御を行う装置を組み込めない.そのため外部から注入される流体を用いて内部の流体制御を行うが,連続流が用いられるため内部に留めた液体の位置を操ったり,混合するといった作業には向かない.そこで本研究ではチャンバや流路の横に,薄い壁を挟んで別の駆動用チャンバを設け,この駆動用チャンバに圧力振動を加えることで,側壁を変形させて,チャンバや流路内の流体を自在に操作する側壁駆動方式の流体デバイスを開発する.

Outline of Annual Research Achievements

側壁駆動型マイクロミキサの大型化については,最適な攪拌力を得るための設計手法を提案した.すなわちミキサが大きくなりそれに伴い壁の変形量も大きくなると,本来丸いミキサの壁に沿って流れ込んで,内部で大きな渦を作るはずの流れが,変形した壁に阻害されて大きな渦を作れないことを明らかにした.これを避けるためには壁の変形量の時間平均の大きさだけ,ミキサへの流入口を壁面からずらす必要があることを明らかにした.またこの研究時に,壁面の変形量観察のために,側面から流路内を観察できる流路製造方法も副次的に開発できた.
複数のマイクロミキサを配置してそれぞれを独立に駆動する方法に関しては高周波で駆動した場合に隣接するマイクロミキサ間に発生する干渉現象の原因が昨年度に特定ができていたため,本年度はこれを避けるための流路開発を行った.すなわち,駆動用のチャンバのポンプへの接続部の振動が隣のチャンバに影響を与えることから,ミキサから接続部までの距離を十分にとることと,ミキサが溶液を吸い上げる主流路を介して流体振動が伝達することから,主流路に屈曲部を設けて,振動が減衰するようにすることで,3個のチャンバで独立に攪拌を行ない,異なる濃度空間を作ることに成功した.
側壁駆動型マイクロポンプについてはカメラのフィードバックを用いてマイクロビーズの位置操作を行うことに成功した.また駆動圧力と蠕動運動1ステップのマイクロビーズの移動量に関係性があることを示し,目標位置との偏差距離に応じて駆動圧を変えることでPD制御による位置制御が行える可能性を示した.
マイクロミキサ内に障害物を作ることで,大きな粒子の溜まる領域を作る方法に関しては,流路全体を振動させて粒子凝集を行う先行研究のデザインを我々のミキサ内に配置することで同様に凝集が行えることを確認した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

寸法が小さいために定量的な評価が難しいと思われたところが多かったが,最適な設計手法という実用的な方法論を示すことが出来た.またビジュアルフィードバックに関しても,これまで使ったことのない高速カメラの映像取り込み等のシステム開発等が問題なく行え,電磁弁の制御周期以上の周期で画像情報からマイクロビーズの位置の割り出し等が行えたため,来年度以降は位置制御の応答性等の研究につなげられる可能性が大きい.一方でミキサ内に障害物を設けて粒子を凝集させる方法に関しては,凝集自体は可能であったものの,加振方法が我々とは違う方式であるすでに発表されている形状と同様の形状であり,新規性は見られなかった.

Strategy for Future Research Activity

複数並べた側壁駆動型マイクロミキサを独立に駆動して様々な濃度空間を自在に作る研究に関しては,実験データを整理し論文にする予定である.またマイクロミキサ内で粒子を凝集させる方法に関しては,現在の凝集装置はピエゾアクチュエータを用いた高周波の駆動であり,ピエゾアクチュエータは高価であることから,空気圧を用いてこれらの装置が動作できないかの確認を行う.また側壁駆動型マイクロポンプについては昨年度に高速カメラの画像フィードバックシステムを構築することで,ステップ状に動かすことで内部のマイクロビーズの位置決め制御に成功しているが,ステップ状の動作では精密な位置決めには適していないため,今年度は目標位置までの距離に応じて壁面の駆動圧力を変化させることでPD制御の手法を取り入れた精密な位置決め制御を行う.またその応答性から制御の予測に必要な伝達関数を求めてその評価を行う.またマイクロポンプの機能を用いて多軸の位置決め制御が行えないかにも挑戦する予定である.

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Design Optimization Method for Large-Size Sidewall-Driven Micromixer to Generate Powerful Swirling Flow2023

    • Author(s)
      Yamamoto Daichi、Takayama Toshio
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 14 Issue: 12 Pages: 2246-2246

    • DOI

      10.3390/mi14122246

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Pulsation Reduction Using Dual Sidewall-Driven Micropumps2022

    • Author(s)
      Atsumi Takuto、Takayama Toshio、Kaneko Makoto
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 19-19

    • DOI

      10.3390/mi14010019

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Generation of Concentration Gradients by a Outer-Circumference-Driven On-Chip Mixer2021

    • Author(s)
      Koike Fumiya、Takayama Toshio
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 68-68

    • DOI

      10.3390/mi13010068

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 並列型側壁駆動マイクロミキサ独立駆動のための干渉低減法2023

    • Author(s)
      牧 勇人,高山 俊男
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’23
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] SU-8の流動性保持硬化プロセスを用いた側方観察用マイクロ流路2023

    • Author(s)
      陳 榮斌,高山 俊男,金子 正
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’23
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 側壁駆動型マイクロミキサの大型化2022

    • Author(s)
      山本 大地,高山 俊男
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’22
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 側壁駆動型マイクロミキサに与えるコネクタチューブの振動の影響2022

    • Author(s)
      牧 勇人,高山 俊男
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’22
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 2 連式側壁駆動型マイクロポンプによる脈動の低減2022

    • Author(s)
      渥美拓人,高山俊男
    • Organizer
      2022 年秋季フルードパワーシステム講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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