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LeviFab LeviFab

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LeviFab は、超伝導浮揚により、物体を宙に浮いた状態で固定・移動させる技術です。物体の最適な内部構造を設計して3Dプリンタで刷り上げるので、形状を問わず浮かせることができます。 地球儀のように対称性のよい物体が浮くのは想像がつくかと思います。しかし、ウサギの模型など⾮対称な物体はうまく調整しないとバランスが崩れて斜めに浮いてしまいます。物体の重⼼が適切な位置になるよう、3Dプリンタで印刷する前にあらかじめ計算して調整しておくことで、バランスが崩れないようにすることができます。磁⽯の反発を利⽤する場合は不安定になりがちですが、超電導浮揚では「ピン⽌め効果」によって横ズレしにくい安定した浮揚になります。磁場⾃体を操 ることで、物体に触れることなく動かすこともできます。 また、物体の内部には超伝導体を -100 ℃以下に冷やすため液体窒素を⼊れる空間も⽤意されています。物体の重⼼だけでなく、熱伝導性も考慮して断熱材を⽤いて内部を加⼯します。そのため物体の中⼼近くは低温ですが表⾯付近は常温に近く保たれ、好奇⼼に溢れた⼦どもたちが触ってしまったとしても⽕傷する⼼配はありません。 また LeviFab を論⽂発表したあとは、超伝導体でなく永久磁⽯を⽤いた磁気浮揚の開発プロジェクトを進めています。これによって、液体窒素を補充する⼿間を省くことができ、⻑期間の展⽰ができるようになります。

LeviFab is a technology that uses superconducting levitation to hold an object at a fixed position or move it as it levitates in air. Objects can be levitated irrespective of their shapes because the optimal internal structure of the objects is designed and printed using a 3D printer. One can easily imagine the levitation of a highly symmetrical object like a globe. However, in case of an asymmetric object, such as a model of a rabbit, without appropriate measures, the balance is lost and results in a slanted posture. Before printing by a 3D printer, the object can be made not to lose balance by calculating the center of gravity at an appropriate position through adjustments to the internal structure. Although it tends to be unstable when magnetic repulsion is utilized, the flux pinning phenomenon helps prevent lateral slide to realize stable levitation in superconducting levitation. It is possible to move an object without touching it by manipulating only the magnetic field. Moreover, within the objects, there are chambers for liquid nitrogen to cool the superconducting material below -100 ℃. The interior of the object is processed considering not only the center of gravity, but also the superconductivity by incorporating the appropriate thermal insulation. Accordingly, even though the temperature is very low near the center of the object, towards the outer surface, the temperature is preserved closer to room temperature. This way, even if children, out of curiosity, happen to touch the object, there is no risk of injury to the skin. Moreover, after publishing a paper on LeviFab, we have also commenced a project for development of magnetic levitation using permanent magnets instead of superconducting materials. This saves the trouble of replenishing liquid nitrogen, thus enabling long-term exhibition.

< Case >

< Case >

■Case 1.
PR したい商品の模型をつくって展⽰し、空間全体のデザインにあわせて空中に浮いた状態にしたい。また浮いている模型に 360° すべての⽅向から⾃在にライティングすることもできるようになる。

■Case 2.
カプセル型内視鏡などのように、ヒトの体内に⼊れる診断機器そのものは動⼒を持たないようにしていきたい。⾃然に体内を移動していく形式ではなく、⾝体の外側から⾃由に動かせるような仕組みにできないか。

■Case 3.
宇宙船の無重⼒状態では、物体を机に置いて固定することができない。重⼒のかわりとして磁⼒を活⽤したり、机から離れないまま動き回らせたりすることが可能となる。

■ Case 1.
You want to exhibit the model of a product for promotion by making it float in air in harmony with the design of the entire space. You also want to enable lighting freely from all 360° directions on the floating model.

■ Case 2.
You want to develop a diagnostic device for insertion into the human body, which does not have its own power drive, like a capsule endoscope. Instead of letting it move naturally within the body, you are looking for a mechanism that allows it to be freely moved from outside the body.

■ Case 3.
It is not possible to place an object on a desk and keep it fixed in the microgravity environment inside a spaceship. You are looking for ways to move an object without moving it away from the desk by using magnetic force instead of gravity.

< 原理 >

< Theory >

■超伝導体の⼆種の効果による浮揚
磁⼒の分布を最適化するかわりに、浮揚させたい物体に超伝導体を埋め込み、磁場の中に置くというアプローチを⽤いています。 内部に液体窒素を注ぎ込んで冷却することで、超伝導体のマイスナー効果によってオブジェクトを浮揚させます。さらに「ピン⽌め効果」のおかげで安定性の⾼い浮揚が可能となっています。

■三次元モデルの最適化
ただ超伝導体を埋め込むだけでは、オブジェクトはバランスを失ってしまいます。また、内部を -100 ℃以下まで冷却しても表⾯が冷たくならないよう、断熱材で加⼯する必要もあります。 そして、超伝導体と断熱ケースを埋め込む際に重⼼の位置を計算し、内部構造を最適化したオブジェクトを 3D プリンタで刷り上げます。

■ Levitation using two effects of superconductors
Instead of controlling the magnetic field distribution, an approach is used in which the object to be levitated is embedded with superconductors. The object levitates due to the Meissner effect of superconductors when the object is cooled internally via the injection of liquid nitrogen. Moreover, stable levitation is made possible by the flux pinning effect.

■ Optimization of 3D model
An object may lose its balance if the superconductor is just embedded without any other considerations. Additionally, it is necessary that appropriate thermal insulation be applied so that the outside surface is not cooled, even if the interior of the object is cooled below -100 ℃. Then, at the time of embedding the superconductor and the thermal insulation case, the position of the center of gravity is calculated to optimize the internal structure of the object, which is then printed in a 3D printer.

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