2022 Fiscal Year Annual Research Report
化学反応に基づく油滴の内部対流を使った自走制御と水上物体搬送への適用
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19K21950
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
澤田 秀之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00308206)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前田 真吾 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (40424808)
重宗 宏毅 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (40822466)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2023-03-31
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| Keywords | 油滴 / マランゴニ対流 / オレイン酸 / 界面活性剤 / 化学反応 / 自走油滴 / SMAワイヤ / 水中物体搬送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
油滴を界面活性剤の水溶液に滴下すると、油滴の溶液との界面に界面活性剤の濃度差が生じて、油滴内部にマランゴニ対流が発生する。溶液中の油滴は球状であるため、マランゴニ対流がランダムに発生し、油滴が水溶液内をランダムに自走することが知られている。電気などの外部エネルギーを必要としない化学反応に起因する自律的現象は、ミリ・マイクロスケールにおける有力な物体移動法となり得る。油滴の自走機序は流体力学的現象に基づくものであるが、未だ詳細に解析された報告は見当たらず、またこの原理に基づく油滴の自走制御は前例がない。本研究では、微細な形状記憶合金（SMA）ワイヤアクチュエータを油滴の外骨格として与えることで、油滴の自走方向および速度の動的制御を実現することを目的としている。
本研究では、各種の曲率や面積を持つブーメラン形状にくり抜いた外骨格を用いて、界面活性剤の水溶液中に無水オレイン酸を主成分とする油滴を滴下した際の自走の考察を行い、その結果を自走方向および自走速度の制御につなげた。本研究において提案した外骨格は、溶液中の自走油滴の形状固定に作用する。ブーメランの左右形状を非対称にすることで、油滴内部に発生するマランゴニ対流が変化し、自走速度ならびに方向が変化することを示した。様々な左右非対称形状を持つ外骨格を用意し、実験による内部対流の観察と自走結果について、内部対流の物理シミュレーションを元に考察を行った。その結果、右側が太いブーメラン形状の外骨格の場合には、油滴は右向きの回転運動をし、左側が太い場合には、左向きの回転運動を行うことが解った。また、左右形状の差は、自走の角速度に反映することを示した。外骨格の形状をSMAアクチュエータによって変化させることにより、油滴の自走方向および速度を制御できることを示し、溶液中での物体搬送アクチュエータを実現した。
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