2016 Fiscal Year Annual Research Report
Microscale engine driven by Marangoni convection for medical applications
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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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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | マイクロロボット / マランゴニ対流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，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ために，気液界面上の温度・濃度分布によって起きるマランゴニ対流を用いた，液中を泳動するための微細なエンジン（以下ではマランゴニエンジンと呼ぶ）の開発を目的とする．マランゴニエンジンは，気液界面を構造体表面に保持し，その界面に温度分布・濃度分布を発生させる機構をもつ微細なデバイスで，水中に浸漬することで表面張力の不均一によるマランゴニ対流が誘起され，対流の反動で遊泳する．研究では，微細加工技術を用いてマランゴニエンジンを作成し，実験的研究によってデバイス周りの流れ場と推進力を計測した．
・マランゴニエンジンの製作：微細加工技術を駆使して穴の空いた円板状の微小デバイスを製作し，デバイス内部にリング上の気泡を内包させた．水に触れている気泡表面（気液界面）に温度差や濃度差を付与することにより，表面張力の不均一に由来する流れ（マランゴニ対流）が誘起される．この流れは円板の穴を通り抜けるようなジェット状の流れとなり，流れの反動を駆動力として自身を推進させることができる．
・マランゴニエンジンの駆動実験：マランゴニエンジンを固定せず駆動を確認する実験では，自由に吊られたマランゴニエンジンがエンジン片面への薬液（酢酸）供給によって移動した様子が確認された．また，マランゴニエンジンを固定した実験でエンジン周りの流れを計測した．すなわち，実験水槽内に微粒子を懸濁させることで，粒子の動きから水の流れを可視化し，画像解析技術を用いて流れの大きさや向きを定量的に計測した．また，駆動力の発生する条件を網羅的に調査した．
・推進力の計測：画像から計測した流れを液体の運動方程式（運動量保存則）を用いて推力に換算し，微小で直接計測することのできないマランゴニエンジンの推力を算定した．推力はおよそ270 nNとなった．
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