背景紹介 現代の科学および産業研究において、非ニュートン流体（non-Newtonian fluids）の動力学挙動は、その独特のレオロジー特性（rheological properties）と広範な応用のために注目を集めています。ニュートン流体（Newtonian fluids）とは異なり、非ニュートン流体はポリマー、スラリー、生物学的流体などにおいてせん断応力（shear stress）とひずみ速度（strain rate）の間に複雑な非線形関係を示します。特にCasson流体は、その降伏応力（yield stress）と非線形応力-ひずみ関係のため、生物流体力学や産業プロセスにおいて重要な意義を持っています。しかし、伝統的な整数階微分モデルは、これらの流体の挙動を記述する際に限界があり...

ローラーカム駆動型圧縮エラストカロリック冷却装置：高冷却出力密度のブレークスルー 学術的背景 地球温暖化が深刻化する中、従来の蒸気圧縮（Vapor Compression, VC）冷凍技術は、水素フルオロカーボン（Hydrofluorocarbons, HFCs）などの冷媒を使用しているため、その高い地球温暖化係数（Global Warming Potential, GWP）が問題視されています。この環境問題に対処するため、研究者たちはより環境に優しい冷凍技術の代替案を探求してきました。エラストカロリック冷却（Elastocaloric Cooling）は、固体材料に基づく冷凍技術として、ゼロカーボン排出と高いエネルギー効率の可能性から注目されています。エラストカロリック冷却は、材料の応力誘...

形状最適化と形状変形問題のためのプログラマブル環境「Morpho」の開発と応用 学術的背景 ソフトマテリアル（soft materials）は、特にソフトロボティクス、構造流体、バイオマテリアル、粒子媒体などの科学および工学分野において重要な役割を果たしています。これらの材料は、機械的、電磁的、または化学的な刺激を受けると劇的に形状を変化させます。これらの形状変化を理解し予測することは、設計の最適化とその背後にある物理的メカニズムの理解において重要です。しかし、形状最適化問題は通常非常に複雑であり、既存のシミュレーションツールは機能が限られているか、汎用性に欠けるため、研究者はこれらの問題に取り組む際に多くの課題に直面しています。 この課題を解決するために、研究者は形状最適化問題のための汎用...

気泡の熱音響モードと光機械センサーの結合研究 学術的背景 気泡の液体中の音響行動は、物理学と工学の分野で重要な研究テーマです。気泡の振動モードは、自然界の音響現象だけでなく、マイクロ流体やバイオセンシングなどの分野でも広く応用されています。Minnaert呼吸モードは、気泡の音響学で最も有名な振動モードであり、液体中の気泡の基本的な振動行動を記述します。しかし、気泡は一連の高次音響モードもサポートしており、これらのモードの理論的予測は存在するものの、実験的観測は非常に稀です。さらに、光機械センサーは高感度の検出ツールとして、マイクロスケールの音響および振動特性を検出するための新しいプラットフォームを提供します。 本研究は、光機械センサーを使用して気泡の音響モード、特に高次音響モードを探査し、...

ゼロ抵抗流体ステルス技術のブレークスルー 学術的背景 現代のマイクロ流体工学やナノエンジニアリングにおいて、ステルス特性（invisibility characteristics）は、侵入物体と周囲環境との間の干渉を排除し、無干渉の相互作用を確保するために極めて重要です。例えば、マイクロ流体チップ内での生体分子の輸送や、正確な薬物放出の制御において、ステルス特性は操作の精度と効率を大幅に向上させます。さらに、ステルス特性は流体力学におけるゼロ抵抗（hydrodynamic zero-drag）性能の実現にも重要な役割を果たし、世界的なエネルギー危機の緩和に寄与します。しかしながら、長年にわたり、ダランベールのパラドックス（d’alembert paradox）や未解決のナビエ-ストークス方程...