2015 Fiscal Year Research-status Report
気液界面の温度差・濃度差によるマランゴニ対流を駆動源とする医療用微細泳動エンジン
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26630073
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
丹下 学 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (70549584)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 表面張力 / マイクロロボット / 濃度差マランゴニ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，生体内で治療や薬剤運搬を行うマイクロロボットの新たな駆動機構を創出することを目的に，気液界面上の温度差・濃度差によって生起するマランゴニ対流を用いた微細泳動エンジンを開発している．平成27年度は，研究計画に従って，濃度差マランゴニ対流を駆動原理とした微細泳動エンジンを開発し，駆動力の測定を行った．具体的には，1）MEMS加工技術を用いて，微細な円盤に空けられた穴に気液界面を保持する新たな形状のエンジンを製作した．2）注射器によって円盤の表裏に酢酸と純水を供給し，気液界面に濃度差を設ける実験系を構築した．3）濃度差マランゴニによるエンジンの駆動実験を行い，流体の運動から駆動力を計測した．実験の結果，円盤に設けた穴を通り抜けるようにジェット状のマランゴニ対流が発生することが確認された．水中に吊るしたエンジンを固定しなかった実験では，マランゴニ対流の反動力により微細泳動エンジンが駆動される様子が観測された．次にエンジンを水中に固定した上でジェット流を発生させ，この流速分布をPIVを用いて求めた．流速分布からマランゴニ対流が生んだ運動量を求め，デバイスの表裏での運動量変化からエンジンの駆動力を推定した．推定された駆動力は理論上の推力の約1/10程度であったが，これは注射器によって作った濃度差が気液界面の一部にしか達していないことが原因と予想された．すなわち，濃度差実現の方法を工夫することでさらに大きな駆動力が得られる可能性が残された．ここまでの研究成果を熱工学に関する国際学会において発表し，専門家との議論を行った．また，発表した論文は，国際学会特集号へ掲載が推薦された．
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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
濃度差マランゴニ対流による微細泳動エンジンの駆動に成功した．ここまでの研究成果を国際学会で発表し，推薦を受けて国際誌への投稿を準備している．今後は，実際的な状況における駆動を可能とするため，外的な濃度差供給によらず，自身で濃度差を維持する機構の開発に従事する．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年には，研究計画に従い，実際的な状況での駆動に関する知見を得るための新たな実験を行う．具体的には，以下の4項目について行う．1) 濃度差の自己供給：エンジン片側に表面張力の異なる薬品を保持し放出する機構を組み込み，濃度差をエンジン自身で発生させるようにする．2) 航続距離の延長：1）により濃度差を維持できた場合には，外部からのエネルギーの供給なしにエンジンを駆動できる．長距離の駆動に問題が発生しないかどうか，実験的に確認する．3）駆動力の増加：昨年度の研究では，濃度分布の作成に課題が残り，理論値に比べ，小さい駆動力しか得られなかった．濃度場・流れ場の検討により，界面全体で駆動力が生まれるようにする．4）数値計算による検証：濃度場を解けるように数値コードを改良し，界面付近のマランゴニ対流を計算する，
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| Causes of Carryover |
予備実験により，温度マランゴニ対流の有効性が示されたなかったため，濃度マランゴニ対流の実験に集中することにした．実験系を効率的に構築することができ，購入予定のものを購入しなかった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
追加実験の材料費，論文投稿料として使用予定．
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