[論文レビュー] Relating microswimmer synthesis to rheotactic tunability

Quentin Brosseau, Florencio Balboa Usabiaga+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Micro and Nano Robotics参考文献 60被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、合成中に調整可能なAu/Pt長さ比によって、Au/Ptジャンウス微小遊泳体の rheotactic 行動——特に流れの中で上流へ遊泳する能力——をチューニングできることを示している。実験とシミュレーションの両方から、先端駆動型（プルラー型）遊泳体が、壁に対する傾き角が大きいため、最も頑健な rheotaxis を示すことが判明した。これにより、rheotactic 応答に基づくマイクロフルイディクススieveを用いた幾何的分離が可能となる。

ABSTRACT

We explore the behavior of micron-scale autophoretic Janus (Au/Pt) rods, having various Au/Pt length ratios, swimming near a wall in an imposed background flow. We find that their ability to robustly orient and move upstream, i.e. to rheotax, depends strongly on the Au/Pt ratio, which is easily tunable in synthesis. Numerical simulations of swimming rods actuated by a surface slip show a similar rheotactic tunability when varying the location of the surface slip versus surface drag. Slip location determines whether swimmers are Pushers (rear-actuated), Pullers (front-actuated), or in between. Our simulations and modeling show that Pullers rheotax most robustly due to their larger tilt angle to the wall, which makes them responsive to flow gradients. Thus, rheotactic response infers the nature of difficult to measure flow-fields of an active particle, establishes its dependence on swimmer type, and shows how Janus rods can be tuned for flow responsiveness. We demonstrate the effectiveness of a simple geometric sieve for rheotactic ability.

研究の動機と目的

• 微小遊泳体の合成（Au/Pt比）とその流体力学的駆動メカニズムとの直接的な関連を確立すること。
• 遊泳体の種類（プッシュラー、プルラー、対称型）が壁に近い場所での rheotactic 応答に与える影響を調査すること。
• rheotactic のチューナビリティに基づいて、混合された微小遊泳体集団を分離する手法を開発すること。
• 表面スリップ駆動型遊泳体の数値シミュレーションを用いて、実験的観察を検証すること。
• rheotaxis が、未知の流体力学的流れ場を推定するための代理指標として機能できることを示すこと。

提案手法

• 電極めっきを用いて、Au/Pt長さ比を変化させた（1:1、3:1、1:3）Au/Ptジャンウスロッドを合成し、駆動位置を制御した。
• 制御されたせん断流れを有する長方形のPDMSマイクロフルイディクスチャネルで実験を行い、上流遊泳速度を測定した。
• 表面スリップ駆動型ロッド状遊泳体の数値シミュレーションを実施し、スリップ位置を変化させることでプッシュラー型、対称型、プルラー型を模擬した。
• 境界積分法を用いて、流れ下での遊泳体と壁との間の流体力学的相互作用をモデル化した。
• rheotactic 応答の差を活用して集団分離を実現するため、発散型マイクロフルイディクスチャネル（rheotactor sieve）を設計した。
• スieve構造内での時間積分密度プロファイルと速度の符号変化を用いて、遊泳体行動を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジャンウスロッドにおけるAu/Pt長さ比は、壁に近い流れ場でのrheotactic応答にどのように影響するか？
• RQ2 遊泳体の種類（プッシュラー、プルラー、対称型）と、壁に対する傾き角との関係は何か？
• RQ3 rheotactic 行動は、微小遊泳体の流体力学的駆動メカニズムを推定するための代理指標として使用可能か？
• RQ4 rheotactic のチューナビリティに基づいて、混合された微小遊泳体集団をどの程度効果的に分離できるか？
• RQ5 表面スリップ駆動型遊泳体の数値シミュレーション結果と、実験的観察との間には、定量的にどの程度の一致があるか？

主な発見

• プルラー型遊泳体（長いPt端）は、比較的高いせん断率下でも、プッシュラー型遊泳体の約2倍の上流遊泳速度を示し、最も頑健なrheotaxisを示した。
• 遊泳体が壁に対して示す傾き角が、rheotactic 成否を決定づける主要要因であり、プルラー型が最大の傾き角を示した。
• 実験とシミュレーションの両方で定量的整合性が確認され、rheotactic 応答が主に表面スリップの分布と遊泳体の種類に支配されていることが裏付けられた。
• 発散型ジオメトリを有するマイクロフルイディクススieveを用いることで、rheotactic 応答に基づいた遊泳体の効果的分離が可能となった。特に、速度の符号が変化する地点に密度のピークが蓄積された。
• スieve構造内での局所的遊泳体密度プロファイルは、上流から下流への運動への遷移付近に明確な濃度ピークを示しており、効果的な分離が達成されたことを示している。
• 数値モデリングにより、化学勾配を介さずとも、流体力学的相互作用のみで十分な傾き角が生じ、rheotaxis を可能にすることが確認された。これにより、表面スリップモデルの妥当性が裏付けられた。