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2022 年度 実績報告書

3Dバイオプリンティング実現に向けた軟質基板への液滴衝突現象の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22J13343
配分区分補助金
研究機関東京農工大学

研究代表者

横山 裕杜  東京農工大学, 大学院工学府, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2022-04-22 – 2024-03-31
キーワード液滴衝突 / 応力場計測 / 軟質材料 / 光弾性法
研究実績の概要

本年度は,「光弾性法を利用した基板内応力場測定法の確立」,「液滴-基板の動的相互作用を考慮し最大半径と基板内応力を予測する理論モデルを構築」に取り組んだ.前者に関して,まず,光弾性法によって実験的に得られる偏光の位相差と方位の情報について,応力場の解析解から予測される位相差・方位分布と比較検証を行った.その結果,実験値と理論値の良い一致が得られ,これまで未検証であった大変形を伴う軟質材料に対しても光弾性法の理論が適用可能であることを示した.この成果は国際共著論文として国際学会誌(Yokoyama et al., Opt. Lasers Eng., 2023,Mitchell and Yokoyama et al., J Mech. Phys. Solids., 2023)で発表した.また,計測した位相差・方位角のデータから基板内応力場を再構成するトモグラフィー手法の構築にも成功した.この成果は,国内・国外学会(日本実験力学会2022年度年次講演会,アメリカ物理学会流体力学部門2022,他1件)で発表し,現在,国際学会誌への投稿に向けて筆中である.後者に関して,基板の材質や液滴物性を変更した実験を行い,発生する応力場の特徴について調査した.また,令和5年度に実施予定の「バイオインクに近い液滴(模擬バイオインク)の衝突挙動の調査」を一部先行し,粒子入り懸濁液の液滴衝突実験や,ハイドロゲルビーズの生成に関して実験環境の整備と予備実験を行った.

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

光弾性法は,もともとガラス等の硬い材料内の応力場計測手法として開発されたが,軟質材料に対しての適用可能性は定量的に調べられてこなかった.そこで,ガラスの1/1000,000の柔らかさをもつゼラチンゲルを用いて,実験的に得られる偏光情報を,応力場の解析解から予測されるそれと比較した.その結果,実験値と理論値の良い一致が得られ,これまで未検証であった大変形を伴う軟質材料に対しても光弾性法の理論が適用可能であることを示した.また,弾性体同士の接触問題として代表的なHertz接触理論に対して本計測法を用いることで,物質内の最大主応力を計測することが可能であることを示した.これらは国際共同研究として実施し,光学分野のQ1ジャーナルであるOptics and Lasers in Engineering,および機械工学分野のQ1ジャーナルであるJournal of Mechanics and Physics of Solidsで発表した.また,最大主応力だけでなく応力場の全視野計測を実現するため,計測した位相差・方位角のデータから基板内応力場を再構成するトモグラフィー手法の実装に成功した.実装においては,既存手法をベクトルトモグラフィーと線形補間を含むアルゴリズムへと改良し,応力算出精度の向上と計算時間の短縮に成功した.本手法を用いて,基板材質や液滴物性を変更した系統的な実験を行い,発生する応力場の特徴について調査した.さらに,令和5年度実施予定の「バイオインクに近い液滴(模擬バイオインク)の衝突挙動の調査」を一部先行し,粒子入り懸濁液の液滴衝突実験や,ハイドロゲルビーズの生成に関して実験環境の整備と予備実験を行った.
以上から,現在までの進捗状況は概ね順調に進展していると言える.

今後の研究の推進方策

光弾性計測で得られた偏光情報から応力場を再構成する手法については,その適用範囲や精度に関する定量的な考察や提案がなされている例はない.そこで,開発したアルゴリズムと従来手法に関してこれらの検証を行う.得られた成果は,国際雑誌へ投稿する.また,現在進行中の系統的な液滴衝突実験を推し進め,基板内に生じる時空間的に非一様な応力場の特徴について定量的な考察を与える.具体的には,衝突させる液滴の物性情報と衝突条件をパラメータとし,応力場の特徴量をマッピングしたフェイズダイアグラムを作成する.これにより,衝突させる液滴の情報からどのような応力場が生じ得るかの予測が可能になる.「バイオインクに近い液滴(模擬バイオインク)の衝突挙動の調査」では,ハイドロゲルビーズの量産が課題となっている.ハイドロゲルビーズの量産においては生体工学を専門とする研究者と共同し,課題を克服する.これにより,粒子入り懸濁液,ハイドロゲルビーズ入り懸濁液,高速マイクロ液滴を使用した液滴衝突実験と基板内応力場計測を行い,ニュートン流体の液滴衝突現象では見られない特異な応力場を見出す.
得られた成果は,学術論文としてPhysics of FluidsやPhysical Review Fluidsなどへの投稿する予定である.

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件)

  • [国際共同研究] The Ohio State University/The University of New Hampshire(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      The Ohio State University/The University of New Hampshire
  • [雑誌論文] Integrated photoelasticity in a soft material: phase retardation, azimuthal angle, and stress-optic coefficient2023

    • 著者名/発表者名
      Yokoyama Yuto、Mitchell Benjamin R.、Nassiri Ali、Kinsey Brad L.、Korkolis Yannis P.、Tagawa Yoshiyuki
    • 雑誌名

      Optics and Lasers in Engineering

      巻: 161 ページ: 107335~107335

    • DOI

      10.1016/j.optlaseng.2022.107335

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] An investigation of Hertzian contact in soft materials using photoelastic tomography2023

    • 著者名/発表者名
      Mitchell Benjamin、Yokoyama Yuto、Nassiri Ali、Tagawa Yoshiyuki、Korkolis Yannis P.、Kinsey Brad L.
    • 雑誌名

      Journal of the Mechanics and Physics of Solids

      巻: 171 ページ: 105164~105164

    • DOI

      10.1016/j.jmps.2022.105164

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Droplet impact on highly deformable substrate and three-dimensional stress fields measurement by photoelastic tomography2022

    • 著者名/発表者名
      Yokoyama Y., Ichihara S., Mitchell B. R., Nassiri A., Kinsey B. L., Korkolis Y. P., and Tagawa Y.
    • 学会等名
      75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-dimensional measurement of a flow in a rectangular channel using a photoelastic method2022

    • 著者名/発表者名
      Tagawa Y., Nakamine K., Yokoyama Y., and Muto M.
    • 学会等名
      75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine Learning-Based Three-Dimensional Reconstruction of Stress Field from Flow Birefringence2022

    • 著者名/発表者名
      Igarashi D., Yee J., Yokoyama Y., and Tagawa Y.
    • 学会等名
      75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct Determination of the Stress Components During Hertzian Contact on a Soft Solid Using Photoelastic Tomography2022

    • 著者名/発表者名
      Mitchell B., Yokoyama Y., Nassiri A., Tagawa Y., Kinsey B., and Korkolis Y.
    • 学会等名
      ASME 2022 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Non-Contact And Non-Steady Rheo-Optical Measurement Of Hydrodynamic Stress Fields Inside A Cylindrical Tube2022

    • 著者名/発表者名
      Muto M., Worby W. K. A., Nakamine K., Yokoyama Y., and Tagawa Y.
    • 学会等名
      20th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-Dimensional Measurement Of A Stress Field In A Rectangular Channel Flow Using A Photoelastic Method2022

    • 著者名/発表者名
      Nakamine K., Muto M., Yokoyama Y., and Tagawa Y.
    • 学会等名
      20th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      日本流体力学会 年会2022
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      日本流体力学会 年会2022
  • [学会発表] 固体/液滴衝突時の軟質材料内応力場の非定常計測方法の開発2022

    • 著者名/発表者名
      横山裕杜
    • 学会等名
      ペネトレーション研究交流会(第3回研究セミナー)
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      横山裕杜,市原さやか,Benjamin Mitchell,Ali Nassiri,Brad Kinsey,Yannis Korkolis,田川義之
    • 学会等名
      日本実験力学会2022年度年次講演会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      混相流シンポジウム2022
  • [学会発表] 血液の液滴衝突現象の実験的解明2022

    • 著者名/発表者名
      横山裕杜,田中あかね,田川義之
    • 学会等名
      第59回日本伝熱シンポジウム

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公開日: 2023-12-25  

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