磁性液滴の多体制御理論構築によるマイクロ流体アクチュエータの開発

• Project/Area Number: 23K22673
• Project/Area Number (Other): 22H01402 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 石田 駿一 神戸大学, 工学研究科, 助教 (80824169)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松永 大樹 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (40833794)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
• Keywords: 磁性液滴 / 集団運動制御 / 微小流体デバイス

Outline of Research at the Start

本研究では磁性液滴の集団運動・自己組織化制御の理論体系構築，および豊かな集団運動を活かした新たな微小流体デバイスを提案する．一体・二体・多体と一つずつ問題をスケールアップすることによりボトムアップで理論体系・解析基盤の構築を行い，磁性液滴のアクチュエータとしての新たな可能性を探求する．
単体磁気液滴の移動方向制御，2体の磁性液滴を用いた自走ロボットの構築，多体の磁性液滴の自己組織化制御を実現する．

Outline of Annual Research Achievements

磁性液滴とは超常磁性の性質を持つ液滴であり，外部磁場により磁化され磁場の方向に伸長する性質を持つ．磁場により非接触に形状を制御できる性質を活かし，近年はこの液滴を応用した様々な微小流体デバイスが開発されているが，これまでの研究では主に単一の磁性液滴の制御を対象としたものに留まっている．本研究の目的は磁性液滴の集団運動・自己組織化制御の理論体系構築，および豊かな集団運動を活かした新たな微小流体デバイスの提案である．目的を達成するため，本研究課題では一体・二体・多体と一つずつ問題をスケールアップすることによりボトムアップで理論体系・解析基盤の構築を目指す．
2023年度は，新たに開発した境界積分法に基づく磁気・流体連成計算コードを用いて，せん断流れ中の磁性液滴の分裂制御に関する研究を行った．本計算コードは，これまで使用していた格子ボルツマン法の計算コードと比較して5～10倍程度高速であり，大規模なパラメータ空間に対する計算が可能となった．これにより，せん断流れ中の磁性液滴に，せん断面に対して垂直方向に磁場を印加することで，液滴の変形量や分裂を制御可能であることを明らかにした．さらに，磁場を印加した際の変形量や分裂を予測する理論式を新たに導出し，数値計算結果と非常に良く一致することを示した．これらの成果は，混相流の世界最大の国際会議であるThe 11th International Conference on Multiphase Flowで発表し，さらに論文としてPhysics of Fluidsに掲載された[Kawabata et al, 2024]．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

新たに開発した境界積分法の計算コードによって，当初予定していたよりも高速で大規模な計算が可能となったため．

Strategy for Future Research Activity

二体のマイクロロボット制御の開発，磁性液滴集団の運動制御に関する研究を進める．

Research Products

• [Journal Article] Deformation and breakup of a ferrofluid droplet in shear flow under magnetic field (2024)
  • Author(s): Kawabata Yuto、Ishida Shunichi、Imai Yohsuke
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 36 Issue: 3 Pages: 033353-033353
  • DOI: 10.1063/5.0203057
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field-controlling patterns of sheared ferrofluid droplets (2022)
  • Author(s): Ishida Shunichi、Yang Yaochen、Meng Fanlong、Matsunaga Daiki
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 34 Issue: 6 Pages: 063309-063309
  • DOI: 10.1063/5.0094415
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle segregation using crystal-like structure of capsules in wall-bounded shear flow (2022)
  • Author(s): Ishida Shunichi、Matsumoto Ryota、Matsunaga Daiki、Imai Yohsuke
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 7 Issue: 6 Pages: 063601-063601
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.7.063601
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Self-Organized Patterns of Ferrofluid Droplets in Wall-Bounded Shear Flow (2023)
  • Author(s): Shunichi Ishida, Daiki Matsunaga
  • Organizer: APBiomech2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Suppression Effect of a Magnetic Field on Breakup of a Ferrofluid Droplet in Simple Shear Flow (2023)
  • Author(s): Yuto Kawabata, Shunichi Ishida, Yohsuke Imai
  • Organizer: APBiomech2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A numerical analysis of fluid propulsion using ferrofluid droplet in microchannel (2023)
  • Author(s): Satoru Watanabe, Shunichi Ishida, Yuto Kawabata, Yohsuke Imai
  • Organizer: AJKFED 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rheology of ferrofluid droplet suspension in wall-bounded shear flow (2023)
  • Author(s): Shunichi Ishida, Daiki Matsunaga
  • Organizer: The 11th International Conference on Multiphase Flow
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A 3D numerical analysis for a effect of a magnetic field on breakup of a ferrofluid droplet in simple shear flow (2023)
  • Author(s): Yuto Kawabata, Shunichi Ishida, Yohsuke Imai
  • Organizer: The 11th International Conference on Multiphase Flow
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Escape of small capsules from large capsules aligned in confined shear flow: a computational study (2022)
  • Author(s): Yohsuke Imai, Shunichi Ishida, Daiki Matsunaga
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 単純せん断流中における分裂を伴う磁性液滴の3次元磁場-流体連成解析 (2022)
  • Author(s): 川畑祐人，石田駿一，今井陽介
  • Organizer: 第36回数値流体力学シンポジウム