磁性液滴の多体制御理論構築によるマイクロ流体アクチュエータの開発

磁性液滴とは超常磁性の性質を持つ液滴であり，外部磁場により磁化され磁場の方向に伸長する性質を持つ．磁場により非接触に形状を制御できる性質を活かし近年はこの液滴を応用した様々な微小流体デバイスが開発されているが，これまでの研究では主に単一の磁性液滴の制御を対象としたものに留まっている．本研究の目的は磁性液滴の集団運動・自己組織化制御の理論体系構築，および豊かな集団運動を活かした新たな微小流体デバイスの提案である．目的を達成するため，本研究課題では一体・二体・多体と一つずつ問題をスケールアップすることによりボトムアップで理論体系・解析基盤の構築を目指す．開発したフレームワークを元に磁性液滴のアクチュエータとしての新たな可能性を探求し，磁気液滴の移動方向制御，自走ロボットの構築，自己組織化制御を実現する．2022年度は，壁に挟まれた狭い空間に問題を限定し，せん断流れ下における磁性液滴集団の自己組織化構造について解析を行った．一様外部磁場を付加，除去することによってクリスタル，一列の可逆的な集団構造変化を実現できることを明らかにした．さらに，磁場方向を変化させることによって，様々な集団構造をとることを明らかにした．これらの成果は論文としてPhysics of Fluidsに掲載された[Ishida et al, 2022]．さらに，ストークス流れ下における磁性液滴の運動を高速に計算するため，新たに境界積分法に基づく磁気-流体連成計算コードの開発を行った．開発したコードはこれまで使用していた格子ボルツマン法の計算コードと比較して5～10倍程度高速であり，長時間計算が必要な問題に対する解析が可能となった．

磁性液滴とは超常磁性の性質を持つ液滴であり，外部磁場により磁化され磁場の方向に伸長する性質を持つ．磁場により非接触に形状を制御できる性質を活かし近年はこの液滴を応用した様々な微小流体デバイスが開発されているが，これまでの研究では主に単一の磁性液滴の制御を対象としたものに留まっている．本研究の目的は磁性液滴の集団運動・自己組織化制御の理論体系構築，および豊かな集団運動を活かした新たな微小流体デバイスの提案である．目的を達成するため，本研究課題では一体・二体・多体と一つずつ問題をスケールアップすることによりボトムアップで理論体系・解析基盤の構築を目指す．開発したフレームワークを元に磁性液滴のアクチュエータとしての新たな可能性を探求し，磁気液滴の移動方向制御，自走ロボットの構築，自己組織化制御を実現する．2022年度は，壁に挟まれた狭い空間に問題を限定し，せん断流れ下における磁性液滴集団の自己組織化構造について解析を行った．一様外部磁場を付加，除去することによってクリスタル，一列の可逆的な集団構造変化を実現できることを明らかにした．さらに，磁場方向を変化させることによって，様々な集団構造をとることを明らかにした．これらの成果は論文としてPhysics of Fluidsに掲載された[Ishida et al, 2022]．さらに，ストークス流れ下における磁性液滴の運動を高速に計算するため，新たに境界積分法に基づく磁気-流体連成計算コードの開発を行った．開発したコードはこれまで使用していた格子ボルツマン法の計算コードと比較して5～10倍程度高速であり，長時間計算が必要な問題に対する解析が可能となった．