2016 Fiscal Year Research-status Report
モティリティシステムにおけるマイクロ・ナノ流動の巨視的運動制御機構の解明
| Project/Area Number |
15K13875
|
|---|
| Research Institution | Akita Prefectural University |
|---|
Principal Investigator |
須藤 誠一 秋田県立大学, システム科学技術学部, 研究員 (90006198)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
矢野 哲也 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (70404853)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 生物流体力学 / 植物流体力学 / 遊泳繊毛 / 頭花運動 / 花弁表面細胞形状 / 磁性流体 / マイクロ流動 / 微小振動 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
平成２８年度は，頭花が開閉運動を示す花弁の表面細胞の形状の時間変化の精密測定，微細な繊毛の生えた遊泳脚を有する海洋性水棲生物の遊泳逃避挙動などに関連して，流体力学的な観点からモティリティ（運動性）の発現メカニズムを解明する目的で研究を遂行し，さらに，それらのメカニズムに基づくデバイスを試作・駆動し，以下のような成果が得られた。
開閉運動を呈するいくつかの植物の花を取り上げ，水を供給して生きた状態にあるアサガオおよびタンポポの花弁表面細胞を，高さ情報の得られるレーザ顕微鏡によって時間経過に従って，細胞間の流体ナノ流動によるサイズ変化を計測し，植物に内在するサーカディアン・リズムを通して，定量的な細胞形状の時系列分析を行い，モティリティ特性を明らかにした。また，植物本体が吸い上げた水の蒸散を制御する気孔に関して，アサガオの花弁に最も近い葉を採取し，生きたままその場観察を行い，気孔の精密測定を行いその形状がタンポポの気孔と異なる形状であることを明らかにした。さらに，微細な繊毛の生えた遊泳脚を有する小さな水棲生物の遊泳に関して，遊泳脚を剛体と仮定し，円柱状の軸に直交して生える円柱列で模擬したモデルを構築し，円柱列の間隔を変えたシミュレーションを行い，円柱列間隔が推進力および周囲の流れ場に与える影響を数値的に解析して，繊毛遊泳脚各部からの境界層の厚さが推進力に与える影響を明らかにした。
次に，水と混じり合わない微少量の磁性流体と針状の１対の永久磁石を用いて微小な磁性流体液橋を水中に構成し，外部から磁気的信号を印加し，磁性流体界面に微小振幅の液体振動を誘起し，水中にマイクロ流動を生成するシステムを構築し，その流動特性を明らかにした。また，SAWデバイスと微小スチレン粒子を用いた液滴の霧化システムの特性を明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度の研究実施計画であげた項目は，（1）細胞壁を有する細胞内のナノ流動モデルの構築とその数値解析による究明，（2）ナノ・マイクロ流動によるモティリティ原理を利用したマイクロデバイスの試作および開発 であり，当初目標通りに研究計画を遂行した。
その結果，アサガオの開花時における花弁表面の各細胞は半球形の突構造をとり，その高さが20μm～30μmで，閉花に伴って高さを減少させることを明らかにした。また，タンポポの花弁表面細胞は，高さが5μm～15μm，先端方向に長さ55μm～140μm，幅13μm～21μm程度の縦長構造をとり，開花時に高さを増大していくことを明らかにした。さらに，繊毛遊泳脚を有する小さな海洋性水棲動物は，繊毛遊泳脚にかかる流体抗力によって推進し，繊毛遊泳脚は限られたサイズ，重量の中で効率的に推進力を得る形状を有していることが明らかとなった。
マイクロ流動を生成するデバイスに関しても，直径1.5mm，長さ8mmの円柱状磁石を3.6mmの間隔で一直線に配置し，10μlの量の磁性流体液橋を磁石間に構成し，90Hzの振動数の交流磁場によって磁性流体界面に微小振動を誘起し，液橋と直交する方向に水のマイクロ振動流を生成した。デバイスは非接触エネルギー供給方式で流動を生成・制御でき，その流動特性を明らかにした。また，SAW素子とスチレン微粒子を利用した液滴の微粒化システムにおいて，微粒子の個数を変えることによって微粒化時間を制御できることを明らかにした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度および平成28年度において遂行した研究は，ほぼ当初の研究計画を効率的・効果的に推進できて成果が得られたが，一部の成果はまだ公表できていない状況にある。研究目標をより精緻に達成させため，以下のような方策を推進予定である。ナノ・マイクロ流動のワイヤレス制御の開発に関連した成果は本年の初頭に論文投稿し，現在査読中の状態である。そのため，論文掲載までの対応作業が今後も必要であり，論文掲載に向けて推進する。また，SAWデバイスの超微小振動を利用し，マイクロ液滴の表面に発生する毛細波および液滴の微粒化に関する研究成果を海外の研究者に議論および評価して頂き，研究目標をより精緻に達成させる。
|
| Causes of Carryover |
平成27年度および平成28年度において遂行した研究は，ほぼ当初の研究計画を効率的・効果的に推進できて成果が得られたが，一部の成果，特に本研究課題の成果を利用したマイクロデバイスの開発に関連する結果の最終部分は整理取りまとめ中であり，まだ公表できていない状況にある。研究目標をより精緻に達成させるため，以下のような方策を推進予定である。ナノ・マイクロ流動のワイヤレス制御の開発に関連した成果は本年の初頭に論文投稿し，現在査読中の状態であり，論文掲載までの査読対応作業が今後も必要であり，論文掲載に向けて対応を推進する。また，SAWデバイスの超微小振動を利用し，マイクロ液滴の表面に発生する毛細波および液滴の微粒化に関する研究成果を海外の研究者に議論および評価して頂き，研究目標をより精緻に達成させるため。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
およそ3MHz付近に固有振動数を有するように設計製作したSAWデバイスによる表面弾性波のメガヘルツオーダーの高周波振動を利用し，マイクロ液滴の表面に発生する微小振幅の毛細波の高時間分解能解析および液滴の霧化・微粒化に関する制御性を調べた研究成果を海外の研究者に議論して頂くために参加する国際会議の参加登録費および交通費の一部，あるいは現在投稿中の磁性流体マイクロ液橋の振動によるマイクロ流動場の生成メカニズムに関連するマイクロデバイスの開発に関する論文の掲載が決定された場合の論文掲載料として使用する計画である。
|
