マイクロ流路を含む高自由度リアル・バーチャル連成レゾネーターによる高感度質量計測
| Project/Area Number |
23K22695
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| Project/Area Number (Other) |
22H01424 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
藪野 浩司 筑波大学, システム情報系, 教授 (60241791)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 泰之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00398637)
NGUYEN・VAN TRIET 筑波大学, システム情報系, 助教 (60773059)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
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| Keywords | 質量計測 / 自励発振 / マイクロマシーン / 密度計測 / 高感度計測 / マイクロカンチレバー / 自励振動 / レゾネーター / モード局在化 / 弱連成 |
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| Outline of Research at the Start |
細胞は質量、硬さ、さらには粘性など物理的な指標からも特徴づけられることが、近年になって明らかになってきた。中でも質量変化は病気との因果関係が極めて大きく、細胞レベルの微小質量に関する高精度な計測の実現が望まれている。しかしながら、微小質量計測は従来機器（例えば体重計）を単に小型化するだけでは実現できず、全く新しい計測原理を創出する必要がある。そこで本研究では振動を利用した、これまでにない新しい測定原理を提案し、それをマイクロマシーニング技術で実用化することを目指して、研究を遂行している。
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に製作した流路付きのマイクロカンチレバーを駆動する機構の動特性を実験的に調べた。すなわち、カンチレバーの支持端をピエゾアクチュエータにより変位加振する構造（間接的にマイクロカンチレバーに加振変位を与える構造）に関して振動特性を調べた結果、支持機構の複雑性に起因して、カンチレバーが単一モードで励振できないことが明らかになった。そこで、新たに静電気力によるマイクロカンチレバーの直接駆動方式を提案した。実際に設計製作した静電アクチュエータによる加振実験結果から、本アクチュエータは単一モードでカンチレバーを励振できることを確認した。次に、カンチレバーの速度信号を使って正帰還フィードバックを行い、カンチレバーを自励発振させることに成功した。さらに本アクチュエータを用いて、自励振動実験を行い、エタノール、純水、25重量パーセントをサンプルとして密度計測を行い、100ナノリットルの微小量サンプルでも密度計測が可能であることを実験により確認した。高感度化を実現するために、バーチャル連成方式を理論的に検討した。すなわち、上記流路付きカンチレバーとバーチャルで弱連成連成するバーチャルカンチレバー（2つのカンチレバーの連成効果とバーチャルカンチレバーの振動をコンピュータ内でリアルタイム計測する）を用いた高感度密度計測法の感度を非線形理論解析によって明らかにした。また並行して、リアルタイム計算を用いないより簡便な高感度計測法の構築を目指して、データ駆動型方式をUniversity of Maryland の Harry Dankowicz 教授と共同研究を開始した。
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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
独自の製造方式で、製作コストがかからない、流路付きマイクロカンチレバーを完成させ、また雑音を低く抑えることができる静電気によ直接駆動型アクチュエータを完成させるなど、密度計測に不可欠な様々な機械要素を構築した。さらに、非線形フィードバックをベースにした独自手法による自励発振方式を提案できたことによって、高感度密度計測に必要な実験システムが完成した。以上のことから、本研究は概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、2023年度までの理論計算結果を踏まえて、高感度化を目指す。具体的にはバーチャル連成をリアルタイム処理およびデータ駆動方式の2つの方式で実現する。それぞれの長所を生かして、質量計測技術を具現化する。流体中に試料を流し、それによって生じるレゾネータの周波数変化やモード変化を計測する。スマートセンシング法としての実用化を見据えて、分散配置可能なさらなる小型レゾネータの製作技術を開発する。また現状においては、フィードバック制御が必要不可欠な自励振動を利用した励振アルゴリズムを採用しているが、汎用化を目指す上ではフィードバックを利用しない簡便な励振アルゴリズムが必要とされる。そこでパラメトリック励振の利用を考え、実用に供する技術開発を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
