星空电竞 迈向液晶驱动微执行器的终极形式
町野重臣和辻智博
- 专业领域
Shigeomi Chono：复杂流体动力学、流体工程、流变学
Tomohiro Tsuji：复杂流体动力学、计算流体动力学、模拟工程
开创液晶在机械领域的应用
Chono 教授和 Tsuji 教授都专门研究“复杂”流体动力学。 Chono 教授称之为“不寻常的流体动力学”，但它有什么不寻常的呢？
流体动力学是研究流体（液体和气体的总称）流动的领域，通常涉及水和空气的流动。另一方面，复杂流体动力学的目标实际上是复杂流体，其中依赖于流体内部存在尺寸远大于其组成分子的高阶结构，并且该结构根据周围环境和流体本身的流动状态而变化。
在复杂的流体中，Chono 和 Tsuji 教授研究了介于液体和固体之间的“液晶”。当我们听到液晶这个词时，很多人都会将其与监视器或显示器联系起来。事实上，液晶的运用一直局限于以显示器为代表的光学领域，但与过去不同的是，两位研究人员继续从动态的角度研究液晶的新可能性。
液晶的一个特性是，当对其施加电压时，分子的方向会改变并且液晶会流动。 2002年，教授。 Chono 和 Tsuji 通过实验证实了这一性质。这是导致目前发展的研究的起点。
“我对含有细颗粒的液晶施加电压，使其可视化，当我观察显微镜时，我看到细颗粒已经移动。换句话说，液晶的流动得到了证实。这是我们所有研究的开始。” （乔诺教授）
“除了液晶流动这一事实之外，很高兴看到细小颗粒被该流动移动。我们已经证实了液晶流动，并且我们发现该流动可以移动物体s。这就是 fi这是我们开发液晶设备的第一步。”（辻教授）
后来，他们发现利用先进的模拟技术，可以通过将液晶分子按一定的排列方式并施加电压来控制流动的方向和大小。然后，根据这一原理，他们进行了一项实验，在仅固定下板的情况下，将液晶倒入两块玻璃板之间，并施加恒定电压。证据就在那里：液晶移动了上板。
不仅如此，液晶在宏观上表现得像液体，因此如果将液晶倒入弯曲板（而不是平板）和同心圆柱体之间，就可以制造出电动机。即使少量的液晶也可以制造出非常小的电机。根据这一发现，他们开发了直径为 12 毫米的电机，由液晶驱动，可以旋转圆柱体。 2007年，他们创造了世界上最小的电机，直径为02毫米，现在他们已经成功地将直径减小到01毫米。
（直径01毫米的微型电机通过将电能转化为液晶流来转动内筒。）
教授。乔诺微笑着说：“我们是第一个用液晶移动物体的人。通常没有人会想到这样的事情人们很早就知道，向液晶施加电压会改变其粘度。然而，没有人想到使用液晶本身作为设备的驱动力。也许世界上没有其他此类研究的例子。”
到目前为止，只有化学和电学领域的研究人员研究过液晶。 Chono 教授回忆道：“当时，对于像我们这样的机械工程研究人员来说，研究液晶似乎有点奇怪。”
事实上，日本机械工程师学会关于液晶流动的演示最初被认为是不可接受的。然而，研究的卓越性逐渐得到认可，并于2007年荣获日本机械工程学会奖（论文），这是日本机械工程领域最负盛名、历史性的奖项。教授。 Chono 和 Tsuji 开创了一种极大扩展液晶用途的方法，从简单的显示材料到下一代机械材料。
距离他们最初迷恋液晶已有 30 年了：还有更多宝藏有待发现吗？
教授。 Chono和Tsuji教授已经合作了30年；他们专门作为研究员二人组工作。两人在哪里相遇以及他们是如何开始研究液晶的？
教授。 Chono 自研究生院以来一直致力于流体力学。 1989年，当他在福井大学担任助理教授时，他作为访问研究员加入了一位美国著名研究员，旨在深化他当时感兴趣的粘弹性流体（同时具有粘性和弹性性质）的理论研究。然而，研究人员告诉他，“这种研究已经过时了。我的兴趣已经转移到其他地方了。”研究人员的新兴趣对象是液晶。年轻的乔诺对这个话题了解得越多，他就越感兴趣。他对那些既不是固体也不是液体的奇怪材料越来越感兴趣，他的研究兴趣从粘弹性流体转向液晶。
“在流体动力学中，以水和空气的流动为目标，只需要速度、压力和温度。然而，研究发现，液晶非常复杂：它们有一个额外的未知量，即分子取向。由于理论分析很困难，所以用计算机模拟流动非常有趣。” （乔诺教授）
教授。乔诺回到福井大学，开始专注于液晶研究。与此同时，当时还是本科四年级学生的Tsuji教授被分配到Chono教授的实验室。
“本来想研究不同的主题，但实验室选择不成功，无奈之下就做了液晶的研究。我几乎没有听说过液晶。一开始我对液晶的流动完全没有感觉。”（辻教授）
教授。辻渐渐发现这个课题对他来说是一个很好的研究课题。此后，这支二人团队陆续取得了令人瞩目的成就。
“我已经完全专注于液晶三十年了，但仍有很多东西有待发现。我想关于液晶的研究奥秘在我有生之年都不会穷尽。从这个意义上来说，我当时中彩票是幸运的（笑）。液晶研究对我来说就是一切。”（辻教授）。
进一步完善世界上最小的电机：为未来医疗做出贡献
两位研究人员一直致力于利用液晶流动的设备的开发，并不断取得进展。近年来，MEMS（微机电系统）这种将微电子电路和机械元件集成在单个基板上的系统引起了人们的关注。现在需要进一步扩展可在微/纳米范围内使用的机械元件。
应用液晶的特性，液晶是液体且不具有适当的形状，并对微型液晶滴施加电压，教授。 Chono 和 Tsuji 一直在开发一种驱动装置，即非晶致动器，该装置通过灵活地调整其形状以适应周围环境来进行操作，类似于阿米巴原虫的动作。
“我们的想法是，液晶没有合适的形状，而且很软，因此如果用柔软的柔性薄膜覆盖它，就可以自由改变其形状并使其适应周围环境。这就是我们正在考虑用作驱动源的基于液晶的致动器的最终类型。”（Chono 教授）
如果能够实现这种非晶态致动器，它就可以在血管内移动而不损坏血管壁——这将极大地有助于实现新的药物输送系统范例，并在导管治疗方面取得显着进展。
该团队迄今为止开发的执行器通过向液晶施加电压来发挥作用，即将电能转换为动能。另一方面，通过液晶将热能转换为动能的能力也可能导致使用液晶的新机械元件的开发。
因此，如果在液晶中引起温度分布，则液态和液晶态两相可以紧密共存。现在，利用两种状态之间的界面力，该团队正在开发微操纵器（一种可以高精度控制物体运动的遥控装置）。
“液晶中有两个相，即各向同性相和液晶相，我们可以通过控制温度来创建它们。这会在相邻相之间的边界处产生界面力，并且该力可以瞬间移动物体。此外，该力有可能以非常高的精度移动物体，并且由于这两个相的行为类似于液体，因此不会损害物体。我们相信，可以使用这种技术来创建物体用于医疗应用的机械手。” （乔诺教授）
由于该机械手仅由液晶作为驱动源和来自热源的能量组成，因此系统可以简化和小型化，因此我们期望能够将机械手安装在MEMS上。
（利用相界面处产生的界面力移动细颗粒的实验）
旨在建立液晶力学领域（超越流体动力学）
为了表彰他们的成就，Chono 博士和 Tsuji 博士于 2019 年 11 月在日本机械工程学会 (JSME) 流体工程分部分别获得了 2019 年分部奖和前沿表彰。
部门奖颁发给通过流体工程相关科学、技术和教育领域的成就为日本机械工程和工业发展做出贡献的个人。前沿奖授予在未开发领域通过创新技术开发取得杰出成果、有潜力拓展流体工程领域技术领域的个人或团体。这些都是非常有声望的奖项，仅授予大约 6,2每年 00 名流体工程部门的正式成员。
部门奖盾牌和前沿奖奖章
教授。 Chono 说：“当我开始这项研究时，我并不知道它有什么用处。我只是专注于通过数值计算来阐明速度分布和分子取向分布之间的关系。”后来，他萌生了将液晶技术应用于机械工程的想法。他阐明了这一机制，并导致了符合最新趋势的设备的开发。这些成果有助于走向实际应用，并且在开辟新的学术领域方面也具有重要意义。
“世界上只有一小部分科学技术可以投入实际应用。我认为，我们通过创建一个新领域，实际上是一个新学科来改变历史，这可能意义重大，而不仅仅是寻找这项研究成果的应用。我相信，如果我们继续全心全意地进行研究，我们一定会开辟出帮助社会的新途径。” （辻教授）
他们说，他们现在的大目标是将液晶的机械应用建立为一门学科。
“距离我第一次被液晶吸引已经30年了，但仍然有很多东西我不明白，所以我必须继续坚定地追求我现在所做的工作。我想创建一个新的研究领域，名为“超越流体动力学的液晶动力学ics。”（Chono 教授）
