| 研究課題/領域番号 |
19K21950
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
澤田 秀之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00308206)
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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2023-03-31
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| キーワード | 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 / 形状記憶合金ワイヤ / 水中物体搬送 |
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| 研究実績の概要 |
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: Shape memory alloy）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。
最終年度となる2021年は、各種形状のブーメラン型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、自走方向および速度制御に関する考察をおこなった。ブーメラン型にくり抜いた外骨格は、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も解った。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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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
油滴を界面活性剤の水溶液に滴下すると、油滴界面に界面活性剤の濃度差ができ油滴内部にマランゴニ対流が発生する。本研究は、このマランゴニ対流によって、無水オレイン酸を主成分とする油滴が水溶液内を自走する現象を物理学的に解明し、更にその自走を制御する手法を実現することを目的としている。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自走の制御は前例がない。
最終年度は、これまでの研究成果を踏まえ、外骨格の形状を変化させることで、溶液中の油滴の自走方向および速度を制御する手法を確立した。特に様々な非対称ブーメラン形状を持つ外骨格を作成し、実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油滴自走考察を行った。これにより、油滴の自走機序原理をマランゴニ対流との関係から明らかにした。更に、化学反応によってスタンドアローンで溶液中を移動して物体を搬送できる、これまでにない新しいアクチュータを提案した。
以上の成果は、当初の研究計画に沿ったものとなっている。またこれまでの研究成果について、論文誌ならびに国際学会への投稿も進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、非対称なブーメラン形状を持つ外骨格に油滴を滴下することで、その自走方向および角速度の動的制御をおこなうことを目的とし、これを実現できた。特に、自走時の油滴の形状と内部のマランゴニ対流、溶液の温度と湿度に着目し、これらを様々に変化させながら自走状態を観測し、物理シミュレーションと併せて考察した。その結果、油滴形状、溶液の温度と湿度の条件によりマランゴニ対流が変化し、自走形態の変化に繋がることを示した。また外骨格フレームを動的に変形させることで、自走経路と角速度を制御できることも明らかにした。これらの成果を元に、化学反応によってスタンドアローンで溶液中を移動して物体を搬送できる、これまでにない新しいアクチュータを提案した。
今後は、オレイン酸系の油滴だけでなく、ペンタノール系の自走油滴についても、内部対流と自走との関連を調べ、多様な溶液中において自走制御可能な物体搬送アクチュエータの可能性を探って行く。更に油滴の自走制御を、スタンドアローンで移動して注入まで行うドラッグデリバリーシステムの確立へと展開する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究は当初の予定通り進んでいる。しかし論文発表を予定していた国際学会が次年度に延期されたため、学会の参加費と渡航費および、追加実験実施のための経費を繰り越した。
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