東京大学The University of Tokyo博士(情報理工学)学位の種別: 論文博士審査委員会委員 : （主査）東京大学教授 生田 幸士, 東京大学教授 篠田 裕之, 東京大学教授 奈良 高明, 東京大学教授 下山 勲, 東京大学講師 池内 真志doctoral thesi

Yasui, Masato

安井, 真人

Japanese

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論⽂の内容の要旨 論⽂題⽬ 中性浮⼒化磁気駆動マイクロマシンの 3D 作製⼿法と３D 駆動制御の研究 ⽒  名 安井 真⼈    磁場は⼈体に影響することなく通り抜けるため、磁場で駆動する磁気駆動マイクロマシンは低侵襲⼿術への応⽤が期待されており、世界中で研究が進められている。磁気駆動マイクロマシンには主に２種類に分類される。⼀つ⽬は体積⼒を利⽤する⽅法で、磁⽯同⼠が引き合うことを利⽤する。⼆つ⽬は、トルクを利⽤する⽅法で、磁気駆動マイクロマシンを磁場で回転させ制御する⽅法である。スクリュー型の磁性体に回転磁場をかけると、回転し液中を進むことができる。スケール効果の観点から⾒ると、前者はサブミリを超える⽐較的⼤きいサイズで、後者は幅広いサイズで有効である。   ⼿術で利⽤するような磁気駆動マイクロマシンのサイズは、発⽣⼒の観点から数ミリからサブミリが望ましい。しかし、このサイズになると重⼒の影響が強く効き、磁気駆動マイクロマシンの駆動を阻害する。このこともあり、磁気駆動マイクロマシンの３次元駆動の研究はあまり進んでいなかった。サブミリ以上の体積⼒を利⽤した⽅法で、３次元制御が成功しているが、強い磁場が必要となり移動速度も遅い。スクリュー型の磁気駆動マイクロマシンでは、サブミリ以上のものを３次元はおろか 2 次元的に制御することはできていない。上記のように重⼒の問題は、磁気駆動マイクロマシンの医療への応⽤を阻害している。そこで、本研究では重⼒の問題を解決し、スクリュー型磁気駆動マイクロマシンを３次元的に制御すること⽬標に研究を⾏った。   本研究では磁気駆動マイクロマシンをマイクロ光造形法により作製する。図 1 に⽰すように、マイクロ光造形法では、光硬化樹脂に紫外レーザーを⾛査して⼆次元構造物を作り、構造物を積み重ねることで３次元マイクロ構造物を作る。   重⼒の影響をなくすために、材料の⽐重を下げることを⽬指した。そのために、磁気駆動マイクロマシンの材料である光硬化樹脂に、磁性微粒⼦と中空マイクロカプセルを混ぜた。磁性微粒⼦は磁気駆動マイクロマシンに磁性を付加するために加えている。中空マイクロカプセルは気体をポリマーで囲んだ形状をしており、⽐重が低い。この特性を利⽤し、中空マイクロカプセルを加えることで軽量化をはかった。この⽅法はうまくいき、中空マイクロカプセルの濃度をあげると樹脂の⽐重も低下していき、中性浮⼒を実現した磁性光硬化樹脂の開発に成功した。   光硬化樹脂に磁性微粒⼦や中空マイクロカプセルを混ぜると、光硬化樹脂の光硬化特性が変化してしまう。微粒⼦による光硬化特性の変化を予測する簡便な理論はない。そこで、磁性微粒⼦や中空マイクロカプセルが光硬化特性に与える影響に関する数理モデルを構築した。そして、磁性微粒⼦や中空マイクロカプセルの濃度を変えて、光硬化特性を計測し、モデルの有効性をしめした。我々が構築したモデルをより、微粒⼦の粒⼦径は⼤きくし、横⽅向の散乱を抑えると硬化特性がよくなることがわかった。近年、光硬化樹脂に微粒⼦を混ぜることによる、樹脂の機能化研究がすすんでいる。本モデルは 図 1 マイクロ光造形法の⼿順 磁性微粒⼦や中空マイクロカプセル以外にも適⽤できる⼀般論のため、微粒⼦を混ぜる光硬化樹脂の開発に役⽴つだろう。   開発した中性浮⼒化した磁性光硬化樹脂を⽤いて、スクリュー型の磁気駆動マイクロマシンの３次元制御をおこなった。幅 0.3mm、⻑さ 2mm のスクリュー型の構造物をマイクロ光造形法により造形した。そして、半径⽅向に着磁し、2cm⾓の⽔槽にいれて回転磁場をかけた。回転磁場をかけた結果、重⼒の影響をうけずに３次元的に駆動することがわかった。また、回転磁場の⽅向や周波数を変えることで、磁気駆動マイクロマシンの進⾏⽅向や速度を制御することもできた。鉛直⽅向と⽔平⽅向の速度を⽐較すると⼤差はないことから、作製した磁気駆動マイクロマシンが中性浮⼒化されていることが⽰された。   磁気駆動マイクロマシンを細胞サイズに⼩型化すれば、細胞のマニュピレーションに応⽤できる可能性がある。そこで、磁気駆動マイクロマシンの⼩型化を研究した。⼩型化のために、２光⼦マイクロ光造形法の応⽤を考えた。しかし、磁性微粒⼦に 2 光⼦マイクロ光造形の強いパルスレーザーがあたると熱による気泡が⽣じて造形することができなかった。そこで、磁性光硬化樹脂と１光⼦マイクロ光造形法により磁性構造体をつくり、その磁性構造体に２光⼦マイクロ光造形法によりスクリュー部分を造形する⽅法を開発した。この⼿法に 10µm 程度の磁気駆動マイクロマシンの造形に成功した。そして、外部磁場を与えることにより、⽔中で２次元制御することも実現した。  図 2 磁気駆動マイクロマシンの 3 次元制御 数字は時刻(秒)を⽰す。下⽅向が重⼒の⽅向である。   本研究により、３次元駆動で問題となる重⼒の影響を解決した。また、磁気駆動マイクロマシンの⼩型化への⾜がかりをつくった。今後は課題としては、磁気駆動マイクロマシンを実際の問題に応⽤することであろう。体積⼒を利⽤したマイクロマシンでは、実際にモノを操作することが求められる。その際、１つのマイクロマシンではモノをつかめないので、複数個のマイクロマシンを独⽴制御する必要がでてくる。⼀⽅、トルクを利⽤した鞭⽑型のマイクロマシンでは、回転するためモノをつかむのは難しい。しかし、移動速度は速いのでモノを送ることでの応⽤が期待できる。運べる量は少ないので、多数の磁気駆動マイクロマシンが⾏き来しながらモノの流れを作るシステムが必要となるだろう。 

中性浮力化磁気駆動マイクロマシンの３D作製手法と３D駆動制御の研究

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中性浮力化磁気駆動マイクロマシンの３D作製手法と３D駆動制御の研究

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