磁場による磁性微粒子の3次元位置制御技術の確立

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永久磁石に砂鉄やクリップなどの磁性体が引き付けられる現象は誰でも知っているが，逆に永久磁石から遠ざかる現象を目にすることは少ない．N極とN極は互いに退け合うが，向きが固定されていなければ容易に反転して，N極とS極が引き付け合ってしまうからである．しかし，複数の永久磁石や電磁石を用いて磁場をうまくコントロールすると，磁性体を磁石から遠ざけることもできる．これまで，磁性体の移動を平面（2次元）に制限することにより，磁性体を任意の方向に移動させる実験が報告されているが，本研究ではこれを3次元に拡張することを目的とする．磁場の発生には一般的に電磁石が用いられるが，大きな電力を消費する．実は時間的に一定な磁場を作り出すにはエネルギーは必要なく，消費電力のすべてはジュール熱として捨てられる．本研究では，エネルギー消費なしに磁場を発生することができる永久磁石を用いる．特にネオジム磁石は日本で発明された強力な永久磁石であり，この磁石をモータで回転させることにより3次元の磁場を制御する．令和3年度においては，永久磁石を用いた磁場発生装置と，2つのビデオカメラを用いて磁性体の3次元的な位置を測定する装置を製作した．また，ある磁石を回転させた場合に磁性体がどの方向に回転し，どの方向に移動するのかを計算により系統的に調べた．令和4年度においては，これらの装置と計算により得られた知見を用いて磁性体の位置を制御する実験を行った．まず，スライム中に置いた磁性体を磁場制御装置の真上で静止させる実験を行ったところ，狙い通りにフィードバック制御が働き，開始後しばらくすると位置が安定することを確認した．続いて，正四面体や円といった任意の経路を一定の速度で移動させる実験を行った．フィードバックの効き具合やスライムの粘度を調整することにより，任意の経路を動かすことが可能となった．