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May 03, 2023

表面に微細パターンを施したポリ塩化ビニルゲルを使用した蠕動マイクロポンプ

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22608 (2022) この記事を引用

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ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）ゲルを使用したポンプを紹介した。 PVC ゲルは柔軟性があり、構造が単純で、100 ～ 1000 V の範囲の電圧で大きな変形を示すため、マイクロポンプに適しています。 本研究では、厚さ方向への積極的な変形を促進する表面パターンを有するPVCゲルシートをポンプの作製に採用した。 この目的を達成するために、PVC ゲル シートを 3 組のアノード電極とカソード電極の間に挟み込み、その後これらの電極に電圧を順次印加してゲル シートの蠕動変形を発生させ、液体を押して一方向の流れを作り出しました。 異なる表面パターンを持つ PVC ゲル シートを使用してさまざまなポンプを作製し、ポンプの特性を評価しました。 ポンプの外形寸法は 35 mm × 25 mm、厚さ 4 mm で、総体積は 3.5 × 103 mm3 に相当します。 その結果、高さ174μmのピラミッド型ゲルシートを用いて作製したポンプは、印加電圧800V、駆動周波数3Hzで224.1μL/minの流量を発生することがわかった。 この実測値は、スマートマテリアルをベースとした既存のポンプと同等以上です。

ポンプは流体駆動システムの基本要素であり、医療、生物学、化学、ロボット工学の分野で幅広い用途に使用されています。 ここ数十年、外部刺激に反応して自身を変形できる材料であるスマート材料の使用が、ポンプを構築する方法として広く研究されてきました。 これは主に、従来のポンプと比較して構造が単純であり、サイズの拡張が可能であることに起因すると考えられます1、2、3、4。 そこで、スマートマテリアルをベースとした様々なポンプが開発されてきました。 これらのスマートマテリアルには、形状記憶合金 (SMA)5、6、7、圧電セラミックス (PZT)8、9、誘電エラストマー (DE)10、11、12、13、ポリフッ化ビニリデン (PVDF)14、イオン性ポリマー金属複合材料 ( IPMC）15、16、17、18、および導電性ポリマー（CP）19。

ポリ塩化ビニル (PVC) ゲルは、スマートな素材としてポンプに有望な機能を示します。 PVC ゲルは通常、PVC 樹脂と液体可塑剤 (アジピン酸ジブチルなど) を混合することによって合成され、通常はシート状の形状をしています 20、21、22。 PVCゲルシートを2つの電極で挟み、電極間に電位差を加えると、ゲルが正極側に引き寄せられて変形します。 この変形は、マイナス側からの電荷注入とそれに続くプラス側への可塑剤の移動の結果です21、22、23。 PVC ゲルは柔らかく、構造が単純で、100 ～ 1000 V の範囲の電圧で大きな変形 (例: 12% 収縮歪み 24) と応力 (例: 5.26 kPa 24) を示します 21,23。 電極間の漏れ電流は平方ミリメートルあたり数十ナノアンペアと言われています22。 これらの特徴により、PVC ゲルは、人工筋肉モジュール 24、グリッパー 25、人間補助装置 26 など、さまざまな装置 22 に適用されています。 PVC ゲルはさまざまなデバイスに適用されていますが、私たちの知る限り、ポンプの製造に PVC ゲルを使用した研究はありません。

この研究では、ポンプ装置における PVC ゲルの有効性を調査するために PVC ゲルポンプを開発しました。 開発したポンプは、PVCゲルシートの蠕動変形により液体の連続的な流れを生成することができました。 シートの蠕動変形は、構造内の複数の電極に電圧を印加することによって達成されました。 今回使用したPVCゲルシートの表面には微細なパターンがあり、液体の効率的な移動が可能になると期待されています。 異なる微細パターンを持つさまざまな PVC ゲル シートが製造され、ポンプに実装され、固定電圧での蠕動サイクルの駆動周波数の関数としての流量の観点からその性能が特性評価されました。

PVC ゲルポンプの全体構造を図 1 に示します。PVC ゲル シートを 3 組の電極で挟んだ構造になっています。 上部電極と下部電極をそれぞれプラス側とアース側として使用しました。 正極は 3D プリント部品の内側に固定され、外縁が 3D プリント部品に接着されたゲルシートが正極上に配置されました。 ゲルシートの粘着性により、負極をシート上部に確実に取り付けることができました。 負極の重量（各 0.34 g）により、ゲルシートに厚さ方向のプレストレスがかかり、ゲルと正極が常に接触します。 負極の重量を変えることでプリストレスの調整が可能です。 正極とゲルシートの間の領域を通過する液体の輸送を確実にするために、この構造にシリコンチューブが接続されました。 ポンプの外形寸法は 35 mm × 25 mm、厚さ 4 mm で、総容積は 3.5 × 103 mm3 に相当します。 製造プロセスの詳細については、「方法」セクションで説明します。

(a) ポリ塩化ビニル (PVC) ゲル ポンプの構造。 (b) 本研究で開発した PVC ゲルポンプ。

電極が周期的に作動している場合、ポンプは液体の一方向の流れを生成できます。 図 2 は、1 サイクルのポンピング中の電極の活性化を示しています。これは 4 つの電極活性化パターンで構成されています。 同じポンピングサイクルを繰り返すと、PVC ゲルシートが継続的に蠕動変形し、液体を一方向に輸送します。

PVCゲルポンプの動作原理。

PVC ゲル ポンプは、ゲル シートが正極と接触したときに液体を直接押し出すことができるように設計されています。 そのため、ゲルシートと正極の間に隙間がないと液体を取り込みにくくなります。 これにより、液体が通過できる経路がない（ゲルシートと正極の間に空間がない）ため、流れが生じない平らなPVCゲルシートが得られます。 そこで本研究では、PVCゲルシート表面に微細パターンを作製し、ピラミッドパターンとリッジパターンの2つのパターンを検討した。 これらのパターンを備えたゲルシートとその寸法を図 3 に示します。 ピラミッド パターン (図 3a) は、高さ 174 μm、底辺 250 μm の四角錐で構成されています。 尾根パターン (図 3b) は幅 100 μm の山で構成され、2 つの異なる高さ (174 μm と 78 μm) がこのパターンに使用されました。 各ゲルシートの全高は６３０μｍであった。 この研究では、ポンプ性能に対する形状の影響を調査するために、さまざまな微細パターンと高さが考慮されました。 表面微細パターンの存在により、正確な位置決めを行わなくても、PVC ゲルシートと正極の間にギャップを作成することができました。 また、通過する液体の整流効果も期待できます。

ポンプに使用される PVC ゲル シートの形状。 (a) ピラミッド状の微細パターンを有するシート。 (b) リッジ微細パターンを有するシート。 (c) 微細パターン付きPVCゲルシートの作動機構。 (i) ゲルは正と負の硬質電極の間に挟まれます。 (ii) 電圧が印加されると、頂点が平らになるようにゲルが変形します。 (iii) ゲルは平衡状態に達し、構造全体が厚さ方向に変位変化を示します。

微細パターンを備えたPVCゲルシートの作動メカニズムを図3cに示します。 ポンプ構成では、ゲルは正と負の硬質電極の間に挟まれ、パターンの頂点が正電極と接触します。 電圧が印加されると、電荷が注入され、正極に引き寄せられます。 これにより可塑剤の移動が起こり、ゲルの頂点が平らになるような変形が生じます。 ゲルは、ゲルの引力と弾性力が釣り合った平衡状態に達します。 その結果、構造全体が厚さ方向に変位変化を示す。 この状態では、ゲルと正極の間の隙間が最小になり、液体が存在すると水平方向に押されることになります。

また、微細パターンのないものに比べて厚み方向の変位が大きくなるため、微細パターンのPVCゲルシートを採用しました。 図 4 は、印加電圧の関数としての PVC ゲル シートの厚さ方向の変位のプロットを示しています。 テストしたゲルシートは、ピラミッドパターン（高さ 174 μm）、リッジパターン（78 μm および 174 μm）のあるもの、およびパターンなしのものです。 それらのそれぞれを2つの硬い金属電極の間に挟み、電圧を印加したときの変位を測定しました（詳細については「方法」を参照）。 パターン付きゲルシートの変位量はパターンなしシートに比べて大幅に大きく、厚み方向の変形を利用したポンプに適していることがわかりました。

印加電圧の関数としての PVC ゲル シートの厚さ方向の変位。 すべてのゲルシートを 3 回測定し、平均値を報告しました。

微細パターン化された PVC ゲルシートの製造プロセスを図 5 にまとめます (詳細については「方法」を参照)。 それは、PVC 樹脂と可塑剤 (この研究ではアジピン酸ジブチル) の溶液を準備することから始まります。 冷却後、硬化したPVCゲルが得られます。 ゲルを熱した鉄板でプレスしてシート状にします。 このゲルシートをさらに、微細パターンの凹部を有する紫外線（UV）硬化樹脂スタンプでプレスすることにより、微細パターンを有するPVCゲルが得られる。

微細パターンを有するPVCゲルシートの作製プロセス。

前述の PVC ゲル シートを使用して製造されたポンプの動作は、補足ビデオ S1 に示されています。 図6aに示すように、試験した液体（FC-43、3M）の輸送は、シリコーンチューブ内の気泡の動きを調べることで観察できます（補足ビデオS1も参照）。 しかしながら、サイクル中にいくらかの液体の逆流が観察された。 これは、図 2 に示す右上パターンから左上パターンへの変形の際、左上パターンの PVC ゲルシートが完全に変形する前に液体が通過する隙間が生じたためです。 気泡の速度とチューブの内径に基づいて、印加電圧８００Ｖで駆動周波数（ポンピング周期の逆数）を変化させたときのポンプから発生する流量を測定した。 特に、流量は、気泡が１０ｍｍの距離を移動する時間を決定することによって測定した。 この方法は、気泡の速度に基づいて流量を測定するものであり、気泡飛行時間としても知られており、さまざまな文献 14、27、28 を参照して採用されました。 気泡の動きをカメラ（TG-5、OLYMPUS）で撮影し、ポンプを高圧電源29で駆動した。 電圧の大きさ 800 V は、適度な変形を生成しながら電気的破壊の可能性を排除するために選択されました。 印加電圧の波形は方形であり、ゲルの高速な変形が期待された。

(a) シリコーン チューブ内で観察された気泡に基づいて PVC ゲル ポンプによって生成された液体の流れ。 (b) ピラミッドパターンのゲルシートを備えたポンプの駆動周波数の関数として測定された流量 (印加電圧 800 V)。 (c) リッジパターンのゲルシートを備えたポンプ (印加電圧 800 V、高さ 174 μm) の駆動周波数の関数として測定された流量。 (d) リッジパターンのゲルシートを備えたポンプ (印加電圧 800 V、高さ 78 μm) の駆動周波数の関数として測定された流量。 測定流量は 3 回の測定の平均値が報告されます。

ピラミッドパターン（高さ174μm）のポンプの測定流量を図6bにプロットします。 駆動周波数の増加に伴い、流量は 3 Hz で 224.1 ± 5.4 μL/min のピーク値に達するまで増加しました。 駆動周波数が 3 Hz を超えてさらに増加すると、流量は減少しました。 この傾向は蠕動ポンプ 22 でよく観察され、当社の PVC ポンプが期待どおりに機能したことを示唆しています。 図6c、dに示すように、リッジパターンを備えたポンプでも同様の傾向が観察されました。 リッジ高さ 174 μm の PVC ゲルシートを使用して製造されたポンプ (図 6c) は、7 Hz で 133.7 ± 6.4 μL/min のピーク値を達成しました。これは、ピラミッド パターンのポンプで達成される値よりも 40% 低くなります。 。 リッジ高さ 78 μm のゲルシートを使用して作製したポンプのピーク流量は、52.3 ± 1.5 μL/min (0.8 Hz) に減少しました。

ピーク流量および対応する周波数の異なる値は、いくつかの要因に起因すると考えられます。その 1 つ目は、微細パターンによって作成されるギャップ容積の変動です。 ピラミッド パターン (高さ = 174 μm) の PVC ゲル シートの理論上の最大変位は 115 μm で、これは 9.2 μL のポンピングあたりの流量に相当します。 高さ 174 μm および 78 μm のリッジパターンを備えたゲルシートの場合、ポンピングあたりの計算された最大流量は、それぞれ 6.9 (最大変化 82 μm) および 2.9 μL (最大変化 33 μm) でした。 これらの値は、図 6 に示す流量測定値および図 4 に示す厚さ方向の変位測定値と一致しています。その他の要因として、ピラミッドパターンの PVC ゲルシート (高さ = 174 μm) は、厚み方向の変位が大きくなるため（図4）、全体として押し出される液体の量が多くなります。 周波数が増加すると、ゲルの変形が入力に一致しなくなるため、変形量は徐々に減少します。 なお、流量は周波数とその時の変形量の積で決まります。 流量がピークとなる周波数は、ピラミッド パターンでは 3 Hz です。 高さ 174 µm のリッジパターンでは、厚さ方向の変位が比較的小さいため、全体の流量が低くなります。 あるいは、2 つの潜在的な理由により、ピーク周波数は 7 Hz というより高い値になります。 1 つ目は、変位が小さいほど、その変位に到達するまでに必要な時間がはるかに短くなるため、最大変位を利用できる頻度が増加することです。 2 つ目は、パターンの体積とその表面積 (液体と接触する面積) の比率です。 表面積に対して能動的に変形できる体積が大きいほど、液体を押し出しやすくなり、周波数が高くなります。 PVC ゲルシート上の 500 μm 平方のユニットでは、高さ 174 μm のリッジパターンの表面積は 3.83 × 10-5 μm2、体積は 2.34 × 10-7 μm3 であり、単位表面積当たりの体積は 61.2 になります。 μm。 この値はピラミッド パターン (29.9 μm) の約 2 倍であり、約 2 倍高いピーク周波数と相関しています。 高さ 78 μm のリッジ パターンの場合、単位表面積あたりの体積は 22.5 μm であり、ピラミッド パターンよりも低い周波数が必要であることが示唆されます。 実際、高さ 78 µm のリッジパターンのピーク周波数は 0.8 Hz です。 ピーク流量も厚み方向の変位に比例して小さくなります。 しかしながら、上で議論したように、厚さ方向の小さな変位はピーク周波数の増加に寄与し、これは一貫性がありません。 これは、高さ 78 µm のリッジ パターンの周波数を低下させる要因がさらに存在することを示唆しています。

パターンの大きさ（流路の大きさ）による流体摩擦ではないかと仮説を立てます。 PVC ゲルがポンプ内で活発に変形し、液体を押し出すとき、そこで生成される流れは乱流とみなされます。 マイクロ流体チャネル内で十分に発達した乱流の場合、流体摩擦は次の無次元パラメータとして表されます30。

具体的には、 \(f\) はダルシー摩擦係数と呼ばれます。 \(Re\) は、次の方程式で求められるレイノルズ数です。

ここで、 \(\rho\) は液体の密度、 \(U\) は流体速度、 \(D_{h}\) は水力直径、 \(\mu\) は液体の動的 (絶対) 粘度です。 今回使用した液体（FC-43、3M）31のデータシートから\(\rho\)と\(\mu\)を参照し、ピーク流量と液体の断面積に基づいて\(U\)を計算します。出力側にシリコンチューブを取り付け、\(D_{h}\) をパターンの高さとして \(Re\) を求めると、高さ 78 µm のリッジパターンの流体摩擦係数は 0.9 であることがわかります。 摩擦係数は、ピラミッド パターン (高さ = 174 μm) と 174 μm のリッジ パターンでそれぞれ 0.58 と 0.51 です。 したがって、高さ 78 µm のリッジパターンの流体摩擦は他のパターンの約 2 倍となり、流動抵抗が増加し、最終的にピーク流量に達する周波数が低下すると考えられます。 0.8Hzという低さです。 上記は、PVC ゲルポンプを設計するためのガイドラインを示しています。 すなわち、ゲルの厚さ方向の変位が大きいほど、表面積に対する活性体積が大きくなり、流体摩擦が小さいほど、これらに比例して出力が大きくなります。

この研究で得られた結果を要約し、文献で入手可能なスマートマテリアルに基づいて他のポンプの結果と比較しました。 表に示すように、当社のポンプの性能は他のスマートマテリアルをベースとしたデバイスと同等かそれ以上であり、ポンプ用 PVC ゲルの高い応用性と可能性を示しています (表 1)。

本研究では、PVC ゲルポンプを開発し、ポンプ装置への PVC ゲルの適用可能性を確認しました。 実験結果から、このポンプは 224.1 μL/min のピーク流量を示し、これは他のスマート材料をベースにしたポンプと同等かそれ以上であることが明らかになりました。 さらに、この結果は、微細パターンの形状が PVC ゲル ポンプの重要な設計パラメータであり、パターンの最適化によりポンプ性能が向上することを示唆しました。

したがって、今後の研究では、実験結果から明らかになった流量と駆動周波数、電極の起動順序、印加電圧の大きさ、およびタイプなどに関する要素を考慮しながら、表面微細パターンのさまざまな形状の下での PVC ポンプのさらなる特性評価に焦点を当てます。波形。 異なる微細パターンの変位や阻止力などの作動性能を取得することで、作動とポンプ特性の関係が得られ、PVCポンプの設計に洞察が得られることが期待されます。 これらの実験を容易にするために、現在の方法 (気泡飛行時間法) の代わりに市販の流量センサーが使用されます。 さらに、ポンプ全体の設計を変更することもできます。 たとえば、アクティブ表面積、つまり対向する電極が重なる面積を増やすと、ポンピング サイクルあたりの液体の量が増加します。 さらに、PVC ゲル シートの総厚を減らし、材料特性を変更すると、より低い電圧を印加できるようになり、デバイスのエネルギー効率が向上する可能性があります。

簡単に説明すると、ポリ塩化ビニル (PVC) (1700Z、新第一ビニル) とアジピン酸ジブチル (DBA) (東京化成) を、PVC:DBA = 1:4 の重量比でセパラブル フラスコに加えました。 次に、フラスコ内の混合物を撹拌し、ポリマーゲルが形成されるまで、120℃の油浴中で90rpmで30分間加熱した。 その後、冷却して高分子ゲルをフラスコから取り出し、高分子ゲル３．６ｇを直径７０ｍｍのフラスコに入れた。 ×0.7mmスペーサーを鉄板で挟みます。 続いて、油圧加熱プレス機を用いて１５０℃、２ＭＰａでスペーサーをプレスした後、冷却して、厚さ６３０μｍの高分子ゲルシートを得た。 その後、ゲルシート上に微細パターンを有する凹部を有するＵＶ硬化樹脂スタンプを配置し、サンプル全体を真空加熱プレス機に入れ、真空状態で１５０℃、０．１ＭＰａでゲルシートをプレスして微細パターンを形成した。ジェルシートの表面に。 ピラミッドおよびリッジパターンを有するゲルシートを得るために、異なるスタンプが使用された。

ポンプのメインフレームは 3D プリンター (Form3、Formlabs) を使用して製作され、3D 印刷データは CAD (SolidWorks、ダッソー システムズ) を使用して作成されました。 3Dプリントしたフレームの内側に厚さ1mmのアルミニウム板（長さ20mm、幅5mm）のプラス電極を固定し、フレーム側面に開けた直径0.7mmの穴を通して配線した。 シリコン（外径2.5mm、内径1.5mm）チューブを接続する部分にも直径2.5mmの穴を開けました。 PVC ゲル シートを 20 mm × 16 mm の外形寸法に切断して正極の上に置き、ゲル シートの端を UV 硬化型接着剤 (BONDIC EVO、Spirit of不思議）。 続いて、ＰＶＣゲルシートの上に、厚さ１ｍｍのアルミニウム板（長さ１６ｍｍ、幅５ｍｍ）からなる接地電極を設置した。 各接地電極の配線は電線を導電テープで貼り付けて行いました。

作製した PVC ゲルシートの厚さ方向の能動変位の測定では、各ゲルを直径 16.5 mm の円形に打ち抜き、2 つの真鍮電極で挟みました。 プラス側の電極の直径は３５ｍｍ、厚さは０．５ｍｍであった。 マイナス側の電極は直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍとした。 正電極と負電極をそれぞれゲルシートの底部と上部に配置しました。 レーザー変位計（OPTEX-FA、CDX-L15）を用いて、高圧電源29により電極に電圧を印加しながら、上部電極の変位（ゲルシートの厚み方向の変位）を測定した。

この論文内のプロットおよびこの研究のその他の結果を裏付けるすべてのデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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リファレンスをダウンロードする

本研究は、JSPS 科研費科学研究費助成事業（課題番号 21K14126）の助成を受けて行われました。

電気通信大学機械知能システム工学科〒182-8585 東京都調布市調布が丘1-5-1

Tomoki Motohashi & Jun Shintake

Polymer Laboratory, Science and Innovation Center, Mitsubishi Chemical Co., Ltd., 1000 Kamoshida-cho, Aoba-ku, Yokohama-shi, Kanagawa, 227-8502, Japan

Naoki Ogawa & Hideko Akai

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TM: 概念化、方法論、データ収集、執筆 - 原案の準備、視覚化、および調査。 NO: 方法論、調査、データ収集、執筆、レビューと編集。 HA: 方法論、執筆、レビューと編集。 JS: 概念化、方法論、執筆、レビューと編集、監修。

新竹淳氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ S1。

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転載と許可

本橋 哲也、小川 直也、赤井 宏 他表面に微細パターンを施したポリ塩化ビニルゲルを使用した蠕動マイクロポンプ。 Sci Rep 12、22608 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-27226-3

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受信日: 2022 年 9 月 26 日

受理日: 2022 年 12 月 28 日

公開日: 2022 年 12 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27226-3

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