磁場による磁性微粒子の3次元位置制御技術の確立

利用磁场建立磁性粒子三维位置控制技术

• 批准号: 21K12662
• 负责人: 佐久間 洋志
• 金额: $ 2万
• 依托单位: Utsunomiya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K12662/
• 关键词: 永久磁石; 有限要素法; 位置制御; 進化的計算; 磁性微粒子; 最適化

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．

大家都知道铁砂、回形针等磁性材料被永磁体吸引的现象，但是铁砂、回形针等磁性材料被永磁体吸引的现象却很少见到。这是因为北极和南极相互排斥，但如果它们的方向不固定，它们很容易反转，北极和南极就会相互吸引。然而，通过使用多个永磁体或电磁体巧妙地控制磁场，可以将磁性材料移离磁体。到目前为止，已有实验报道通过将磁性材料的运动限制在平面（二维）内来使其向任意方向移动，但在本研究中，这项研究的目的是将其扩展到三维。电磁铁一般用于产生磁场，但其消耗大量电力。事实上，创建暂时恒定的磁场不需要能量，所有消耗的能量都以焦耳热的形式浪费掉了。在这项研究中，我们使用永磁体，它可以在不消耗能量的情况下产生磁场。特别是，钕磁铁是日本发明的强力永磁体，通过电机旋转该磁铁来控制三维磁场。在 2021 财年，我们创建了一个使用永磁体的磁场发生器，以及一个使用两个摄像机测量磁性材料三维位置的设备。此外，我们系统地研究了磁性材料向哪个方向旋转以及当某个磁体旋转时磁性材料向哪个方向移动。 2020年，我们进行了一项实验，利用这些设备和通过计算获得的知识来控制磁性材料的位置。首先，我们进行了将置于粘液中的磁性材料固定在磁场控制装置正上方的实验，确认了反馈控制按预期工作，启动后一段时间后位置变得稳定。接下来，我们进行了一个实验，其中机器人沿着任意路径（例如正四面体或圆形）以恒定速度移动。通过调整反馈的有效性和粘液的粘度，可以将其沿着任何所需的路径移动。

项目成果

強磁性プローブを用いたNiFe-Cuナノキューブの電気伝導測定

使用铁磁探针测量 NiFe-Cu 纳米立方体的电导率

• 发表时间: 2021
• 作者: 佐久間洋志;竹内亮太;小林昌太;山南豪;坂倉響;竹田真帆人;山田努;Suko Bagus Trisnanto;大多哲史;竹村泰司
• 通讯作者: 竹村泰司

Rotation patterns of a mangle-type magnetic field source optimized via covariance matrix adaptation evolution strategy with 3D finite element method

• DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.170315
• 发表时间: 2022-12-27
• 期刊: JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS
• 影响因子: 2.7
• 作者: Sakuma, Hiroshi