https://doi.org/10.1063/5.0333605
論文タイトル
低レイノルズ数プロペラの壁面誘起運動を逆転させるシアシニングレオロジー
Shear-thinning rheology reverses wall-induced motion of low-Reynolds-number propellers
ビジネスインサイト
- 複雑な生体流体に対応する標的指向型DDSの設計指針：血液や粘液などの「シアシニング（せん断薄化）レオロジー」を考慮しなければ、ロボットは体内において想定とは逆の動きをしてしまうことが判明した。本成果は、腫瘍などへ薬剤を正確に届ける微小ドラッグデリバリーシステムのナビゲーションアルゴリズムやハードウェア設計の精度向上に直結する。
- 流体自体を「機械の一部」とみなす新アプローチ：流体を単なる媒体としてではなく、作動周波数の調整を通じてロボットの進行方向（前進・後退・横滑り）を制御するためのパラメータとして活用できる可能性を示しており、ロボット自体の構造をシンプル化できる設計上の利点となる。
概要
ミリスケールの磁気駆動ロボット（球形・らせん形）を用い、血液や粘液を模した非ニュートン流体（シアシニング流体）中では作動周波数の増加に伴いロボットの進行・横滑り方向が「逆転」することを実験的に解明した。複雑な体液環境におけるマイクロスイマーの制御に不可欠な基礎的知見を提供した。
研究の詳細
背景
人体内の血液や粘液は、せん断応力下で粘度が変化する非ニュートン流体（シアシニング流体）である。従来、標的部位にのみ薬剤を届けるマイクロロボットの開発が進められてきたが、こうした複雑な流体環境での推進プロセス、特に壁面（血管壁など）近傍での物理的挙動は十分に理解されていなかった。
主要な結果
- ニュートン流体（水など）では、磁気で回転する球形ローラーは前方に進み、らせん形プロペラは横滑り（lateral drift）を伴いながら前進する。
- 一方、合成非ニュートン流体中で磁気駆動の作動周波数を臨界周波数以上に上げると、球形ローラーの壁面誘起並進運動の方向が逆転し、「後退（backward motion）」が生じた。
- らせん形プロペラにおいても、シアシニングレオロジーによって横滑りの方向が逆転する一方で、前方への推進力は増強されるという特異な物理現象が確認された。
材料と方法
- 回転による並進運動を調べるため、磁石を内蔵したミリスケールの球形ローラーおよびらせん形（バクテリアを模倣した形状）スイマーを使用。
- ニュートン流体および、粘液や血液を模倣した合成非ニュートン流体（シアシニング流体）を用意し、流体の粘度を高くスケーリングすることで、微小スケール（低レイノルズ数環境）の物理法則を再現して実験した。
実用化までのフェーズ
基礎研究フェーズ（ミリスケールの模型スイマーと合成流体を用いた実験によって、流体のレオロジーがスイマーの運動に及ぼす影響を実証し、流体力学的メカニズムを解明した段階）。
社会実装に向けた課題
完全な標的指向型ドラッグデリバリーシステムの実現までには長年の時間を要する。次のステップとして、今回のミリスケールでの知見を実際のマイクロスケール（微小サイズ）で設計された様々な形状のロボットに適用・検証していくことが技術的なハードルとなる。
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