粘弾性マイクロジェットの能動制御と次世代製造プロセスへの展開

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00223
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 田川 義之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70700011)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安藤 景太 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30639018) ; 山中 晃徳 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50542198) ; 長津 雄一郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60372538) ; 田中 あかね 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (80418673) ; 武藤 真和 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30840615)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: マイクロジェット / 粘弾性流体 / レオロジー計測 / 無針注射 / 高粘度ジェット

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，衝撃力を利用した超音速・高粘度マイクロ液体ジェット生成法（代表者の開発技術）に基づき，ジェットの伸長・分裂・衝突という医学・工学応用に不可欠な各要素の物理機構解明・能動制御を達成するため，次世代製造プロセスにとって需要の高い粘弾性液体ジェットに焦点を絞り，学術的に未解明な特徴的挙動を解明に取り組み続けている．
粘弾性マイクロ液体ジェットの大伸張プロセスの解明・制御のために，ジェットが大きく伸長した後，分離せずに出戻る新現象に着目し，粘弾性マイクロ液体ジェットの分離・マイクロ液滴形成プロセスの解明・制御のため，粘弾性流体の液糸の分離過程を実験調査した．ジェット分離位置・時間を測定した結果，粘弾性マイクロジェットでは分離に至るまでに顕著な伸張効果が確認され，可視光カメラの解像限界(500 nm)以下の液糸が数秒間も持続し，液滴を保持・合体させる現象が見られた．
分担者（長津）所有のレオメータによりレオロジー特性の測定を行い，粘弾性特性が分離過程に与える影響を調査した．さらに，マイクロジェット先端から分離した液滴直径がマイクロサイズの場合，固体壁に衝突した液滴が従来理論に反して飛散しない現象を発見したがこれには，従来理論が立脚する連続体仮定が適用できないため，新たな物理描像に基づく理論として実験結果に基づく液滴飛散理論を構築した上で，混相数値計算を援用し，液滴拡大制御/飛散抑制を試みた．
そして，以上の知見を踏まえ，次世代製造プロセス実現に向けた学術課題として無針注射器による生体組織への貫入挙動モデルを完成させた．

Current Status of Research Progress

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

Reason

マイクロジェットジェットが出戻る現象について，粘弾性流体の粘弾性特性が分離過程に与える影響を実験的に調査し，物理モデルによるジェットの特異挙動の説明に成功した．本件に関して特許申請を検討中である．また，粘弾性マイクロ液滴衝突・塗布現象解明に取り組み，粘弾性流体（動物血清）の衝突実験を行なった．微小変形下でのレオロジー特性（微小振幅振動粘弾性特性）が同じにも関わらず衝突挙動が異なる結果が得られた．液滴衝突時には大変形下での粘弾性特性が重要であることを示唆しており，大振幅振動（LAOS）粘弾性測定を行い，その結果と衝突挙動との相関を調べた． さらに，軟材料衝突時の応力を計測するシステムを新規に構築することに成功し(Yokoyama et al., Opt. Laser Eng., 2023)，当初計画以上の成果を得た．
また上記と別の重要課題として，液滴直径がマイクロサイズの場合，液滴が従来理論 (Riboux et al., 2014, Phys. Rev. Lett.)に反して飛散しない現象を発見した．この原因は，高速かつ微小な液滴が平板上で拡がる際に，液滴下 の空気薄膜厚さが70 nm以下となり，気体分子の平均自由行程を下回る（クヌッセン数 が1以上となる）ため従来理論が立脚する連続体仮定が適用できることが検証された．
そこで本課題では，空気薄膜厚さをナノスケール計測(TIR, Yukisada, Tagawa et al., 2018, Langmuir)し，実験結果に基づき液滴飛散理論を構築した．さらに混相数値計算（Kondo & Ando, 2016, Phys. Fluids）を援用し，液滴拡大制御/飛散抑制を試みた．上記を活用したマイクロジェット伸張衝突制御と次世代製造プロセスへの展開可能性を調査した．
以上のように研究は当初の計画以上に進展している．

Strategy for Future Research Activity

これまで研究の当初計画に沿って現象観察実験，数理モデル構築，制御法の確立をステップを踏み確実な実績を具現化してきたが，今後は応用への展開の最終段階とし3Dプリント印刷への適用可能性の検証を試みる．
本液体ジェットが溶融樹脂を用いた３Dプリンタに適用可能か検証する．溶融樹脂は温度低下による変性が予測される．そこで材料工学者（山中） による変性を考慮した数値計算（Tsuyuki, Yamanaka et al., 2018, Sci. Rep.）を行い，飛翔中液滴の変性による液体ジェット分離過程の変化を明らかにする．この実験結果を非定常に変化する動的We数によって整理し，変性の影響を含めたモデルを再構築する．
代表者（田川）は研究の総括として全テーマを 俯瞰し，主に実験全般を担当する．分担者（田中）は生体試料の提供および解析を行う．分担者（安藤・山中）はそれぞれ流体・固体の数値解析を担当する．分担者（長津）は レオロジー計測を担当する．本学学生17名の協力を得る．実機開発においては既に代表者が産業界と連携し ている．海外研究者との連携体制 （田川 -Prof. Lohse ，安藤 -Prof. Colonius，長津-Prof. De Wit）を整え ているが，研究進捗が遅れた場合には，連携実績のある流体実験専門家 （Prof. Yoda, Prof. Ohl）および 非ニ ュートン流体数値解析の専門家 （Prof. Johnsen）の助言を受ける．
以上により，得られた成果については国際・国内学会及び学術論文として積極的に発表する．

Research Products

• [Journal Article] Design Exploration of Initial Bubbles for Higher-Speed Laser-Induced Microjets (2023)
  • Author(s): TATSUMASA ISHIKAWA , HIROYUKI NISHIDA , AND YOSHIYUKI TAGAWA
  • Journal Title: IEEE Access Volume: 11 Pages: 8268-8274
  • DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3238722
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prediction of the morphological evolution of a splashing drop using an encoder-decoder (2023)
  • Author(s): Yee, J., Igarashi, D., Miyatake, S., and Tagawa, Y.,
  • Journal Title: Machine Learning: Science and Technology Volume: 4 Pages: 025002
  • DOI: 10.1088/2632-2153/acc727
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Background-oriented Schlieren technique with vector tomography for measurement of axisymmetric pressure fields of laser-induced underwater shock waves (2022)
  • Author(s): Ichihara, S., Shimazaki, T., Tagawa, Y.,
  • Journal Title: Experiments in Fluids Volume: 63 Pages: 182
  • DOI: 10.1007/s00348-022-03524-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An investigation of Hertzian contact in soft materials using photoelastic tomography (2022)
  • Author(s): Mitchell, B., Yokoyama, Y., Nassiri, A., Tagawa, Y., Korkolis, Y., Kinsey, B.,
  • Journal Title: Journal of the Mechanics and Physics of Solids Volume: 171 Pages: 105164
  • DOI: 10.1016/j.jmps.2022.105164
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Integrated Photoelasticity in a Soft Material: Phase Retardation, Azimuthal Angle, and Stress-Optic Coefficient (2022)
  • Author(s): Yokoyama, Y., Mitchell, B. R., Nassiri, A., Kinsey, B. L., Korkolis, Y. P., Tagawa, Y.,
  • Journal Title: Optics and Lasers in Engineering Volume: 161 Pages: 107335
  • DOI: 10.1016/j.optlaseng.2022.107335
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Contactless pressure measurement of an underwater shock wave in a microtube using a high-resolution background-oriented schlieren technique (2022)
  • Author(s): Yamamoto, S., Shimazaki T., Franco-Gomez, A., Ichihara, S., Yee, J., Tagawa, Y.,
  • Journal Title: Experiments in Fluids Volume: 63 Pages: 142
  • DOI: 10.1007/s00348-022-03494-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Numerical Investigation on Influence of Number of Bubbles on Laser-Induced Microjet (2022)
  • Author(s): Ishikawa, T., Nishida, H., Tagawa, Y.,
  • Journal Title: Water Volume: 14 Pages: 3707
  • DOI: 10.3390/w14223707
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Background Oriented Schlieren 法による水中衝撃波の圧力場の計測, (2023)
  • Author(s): 長龍佑，市原さやか，川口美沙，田川義之
  • Organizer: 日本機械学会関東学生会第６２回学生員卒業研究発表講演会,
• [Presentation] 無針注射器の実用化に向けた撃力駆動の集束ジェット機構の開発, (2023)
  • Author(s): 山形倖平，関口翔斗，横山裕杜，田川義之，
  • Organizer: 日本機械学会関東学生会第６２回学生員卒業研究発表講演会，
• [Presentation] 液滴衝突閾値の評価のための自動化実験装置の構築，日本機械学会関東学生会第６２回学生員卒業研究発表講演会， (2023)
  • Author(s): 宮武駿，Yee Jingzu，田川義之，
  • Organizer: 日本機械学会関東学生会第６２回学生員卒業研究発表講演会，
• [Presentation] 円管内軸対称層流の光弾性計測に関する研究, (2023)
  • Author(s): 板東雄太，Worby William，中峰健登，横山裕杜，武藤真和，田川義之，
  • Organizer: 日本機械学会関東学生会第６２回学生員卒業研究発表講演会，
• [Presentation] 高速マイクロ液滴衝突の飛散現象に関する研究 (2022)
  • Author(s): 田川義之，鵜澤雅，藤田裕太，Riboux, G., Gordillo, J. M.，
  • Organizer: 第59回日本伝熱シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 減圧環境下で高温壁面に衝突する液滴のVapor rebound現象 (2022)
  • Author(s): 畠中龍太，Breitenbach, J., Roisman I. V., Teropea C., 田川義之，
  • Organizer: 第59回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] Drop impact on solid surface from the perspectives of artificial neural networks (2022)
  • Author(s): Yee, J.，山中晃徳，田川義之，
  • Organizer: 第59回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] 血液の液滴衝突現象の実験的解明 (2022)
  • Author(s): 横山裕杜，田中あかね，田川義之
  • Organizer: 第59回日本伝熱シンポジウム
• [Presentation] マイクロ管内水中衝撃波圧力とマイクロジェット速度の同時計測 (2022)
  • Author(s): 市原さやか，山本翔太，嶋崎隆晃，Yee Jingzu，Franco-Gomez Andres，田川義之
  • Organizer: 第66回理論応用力学講演会
• [Presentation] 矩形管内流の三次元流体応力場計測の実験的検証 (2022)
  • Author(s): 田川義之，中峰健登，武藤真和，
  • Organizer: 第66回理論応用力学講演会
• [Presentation] Features of a Splashing Drop on a Solid Surface and the Temporal Evolution extracted through Image-Sequence Classification using an Interpretable Feedforward Neural Network (2022)
  • Author(s): Yee J., Igarashi D., Yamanaka, A., Tagawa, Y.,
  • Organizer: AIAA Avitation Forum and Exposition
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Background Oriented Schlieren Technique With Reconstruction Of Three-Dimensional Vector Fields For Pressure Measurement Of Laser Induced Underwater Shock Waves (2022)
  • Author(s): Ichihara, S., Shimazaki, T., Tagawa, Y.,
  • Organizer: 20th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-Dimensional Measurement Of A Stress Field In A Rectangular Channel Flow Using A Photoelastic Method, (2022)
  • Author(s): Nakamine, K., Muto, M., Yokoyama, Y., Tagawa, Y.,
  • Organizer: 20th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-Contact And Non-Steady Rheo-Optical Measurement Of Hydrodynamic Stress Fields Inside A Cylindrical Tube, (2022)
  • Author(s): Muto, M., Worby, W. K. A., Nakamine, K., Yokoyama, Y., Tagawa, Y.,
  • Organizer: 20th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Background-Oriented Schlieren technique using Fast Checkerboard Demodulation for extending measurement range of pressure of underwater shock waves, (2022)
  • Author(s): Tagawa, Y., Kawaguchi, M., Ichihara, S., Yee, J., Shimazaki, T.,
  • Organizer: 20th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design Optimization of Laser-Induced Bubble for Highly Efficient Generation of Microjets, (2022)
  • Author(s): Ishikawa, T., Nishida, H., Tagawa, Y.,
  • Organizer: ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー誘起集束ジェットを用いたオンデマンドリポソーム生成手法の開発， (2022)
  • Author(s): 河合脩真，高木里菜，Ji Jiajue，小祝慶一郎，川野竜司，田川義之，
  • Organizer: 混相流シンポジウム2022
• [Presentation] 集束マイクロジェットの医工学応用への展開：無針注射と食品デザイン， (2022)
  • Author(s): 田川義之，
  • Organizer: 混相流シンポジウム2022
  • Invited
• [Presentation] 懸濁液と高分子溶液における特徴的な伸長レオロジーの解明， (2022)
  • Author(s): 松本祐月，田川義之，
  • Organizer: 混相流シンポジウム2022
• [Presentation] クエット流動化における応力計測と高速度偏光カメラによる複屈折の同時計測手法の開発， (2022)
  • Author(s): ウォービーウィリアム海アレクサンダー，中峰健登，横山裕杜，武藤真和，田川義之，
  • Organizer: 混相流シンポジウム2022
• [Presentation] 光弾性ベクトルトモグラフィーによる軟質材料内応力場の実験的計測， (2022)
  • Author(s): 横山裕杜，市原さやか，Benjamin Mitchell，Ali Nassiri，Brad Kinsey，Yannis Korkolis，田川義之，
  • Organizer: 日本実験力学会2022年度年次講演会
• [Presentation] 血液-血管応力相互作用の理解に向けた液体高分子と高分子ゲルの高速度光弾性法の 開発 (2022)
  • Author(s): 武藤真和，ウォービーウィリアム海アレクサンダー，中峰健登，小林和也，田川義之，
  • Organizer: 日本実験力学会2022年度年次講演会
• [Presentation] 流動複屈折計測とインデックスマッチングを複合した円管内流体応力場計測手法の開発 (2022)
  • Author(s): 武藤真和，ウォービーウィリアム海アレクサンダー，中峰健登，横山裕杜，田川義之，
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022，
• [Presentation] 矩形管内三次元流体応力場の光弾性計測システムに関する検討， (2022)
  • Author(s): 田川義之，中峰健登，ウォービーウィリアム海アレクサンダー，横山裕杜，楠野宏明，武藤真和，
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022，
• [Presentation] 粘弾性流体の正方形管内流れに浮遊する球形粒子の管断面内分布， (2022)
  • Author(s): 米山大輔，三木祐太，山下博士，横山直人，田川義之，板野智昭，関眞佐子，
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022，
• [Presentation] Viscous fingeringの光弾性計測， (2022)
  • Author(s): 川口美沙，八木晴美，長津雄一郎，田川義之，
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022，
• [Presentation] ナノチューブ内に形成された液体メニスカスと衝撃波との干渉に関する分子動力学的研究， (2022)
  • Author(s): 鈴木創太，菊川豪太，犬飼春太，田川義之，
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022，
• [Presentation] 機械学習を用いた液滴衝突現象の特徴量抽出および実験自動化， (2022)
  • Author(s): 田川義之，宮武駿，イージンズ，
  • Organizer: 日本機械学会 第100期 流体工学部門講演会
• [Presentation] 偏光計測による単一上昇気泡周りの流動構造解析， (2022)
  • Author(s): 楠野宏明，田川義之，
  • Organizer: 日本機械学会 第100期 流体工学部門講演会，
• [Presentation] 高粘度液体吐出装置における吐出安定性の向上， (2022)
  • Author(s): 渡部裕也，釜本恭太，Jingzu Yee，小林和也，田川義之，
  • Organizer: 日本機械学会 第100期 流体工学部門講演会，
• [Presentation] レーザー誘起マイクロジェット生成に伴うガラス細管の破壊メカニズム解明および破壊抑制機構の開発， (2022)
  • Author(s): 関口翔斗，小林和也，田川義之，
  • Organizer: 日本機械学会 第100期 流体工学部門講演会，
• [Presentation] 撃力により生成する粘弾性液体ジェットの挙動解析， (2022)
  • Author(s): 細川明日架，渡部裕也，釜本恭太，楠野宏明，小林和也，田川義之，
  • Organizer: 日本機械学会 第100期 流体工学部門講演会，
• [Presentation] Direct Determination of the Stress Components During Hertzian Contact on a Soft Solid Using Photoelastic Tomography, (2022)
  • Author(s): Mitchell B., Yokoyama Y., Nassiri A., Tagawa Y., Kinsey B., and Korkolis Y.,
  • Organizer: ASME 2022 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE2022),
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-dimensional measurement of a flow in a rectangular channel using a photoelastic method, (2022)
  • Author(s): Tagawa Y., Nakamine K., Yokoyama Y., Muto M.,
  • Organizer: 75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Droplet impact on highly deformable substrate and three-dimensional stress fields measurement by photoelastic tomography, (2022)
  • Author(s): Yokoyama Y., Ichihara S., Mitchell B., Nassiri A., Kinsey B., Korkolis Y., Tagawa Y.,
  • Organizer: 75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Droplet levitating over a movinf wall: stability of a lubricating air film, (2022)
  • Author(s): Primkulov B., Matsuda A., Tagawa Y., Bush J.,
  • Organizer: 75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photoelastic measurement for viscous fingering in Hele-Shaw cell, (2022)
  • Author(s): Kawaguchi M., Tagi H., Nagatsu Y., Tagawa Y.,
  • Organizer: 75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of splashing threshold of impacting droplets based on automated experiments, (2022)
  • Author(s): Miyatake S., Yee J., Tagawa Y.,
  • Organizer: 75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reproducible ejection of highly-viscos liquid jets, (2022)
  • Author(s): Watanabe H., Kamamoto K., Yee J., Kobayashi K., Tagawa Y.,
  • Organizer: 75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Machine Learning-Based Three-Dimensional Reconstruction of Stress Field from Flow Birefringence, (2022)
  • Author(s): Igarashi D., Yee J., Yokoyama Y., Tagawa Y.,
  • Organizer: 75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics,
  • Int'l Joint Research