The development and widespread use of digital fabrication techniques has accelerated the fabrication of three-dimensional (3D) objects, enabling not only to design their shapes but also to customize their internal structures and materials to realize various functions. In this research, we propose a novel design method to embed internal pumps and liquid paths inside 3D objects. We utilized a pump driven by electrohydrodynamics (EHD) of fluid migrating in response to an applied electric field. To arrange the EHD pumps and fluid paths in appropriate positions inside 3D objects, we stacked layered acrylic plates cut with digital fabrication tools such as laser cutters and cutting plotters. Using these embedded pumps, we can control the flow of fluid to change the color, shape, and motion of the objects. In this paper, we detailed our fabrication techniques named LayerPump and demonstrated its design space and application scenarios.

デジタルファブリケーションマシンの開発と普及により、様々な形状の立体物の製作が加速している。さらに、物体の形状だけでなく、内部構造や材料を設計し、内部に様々な機能を埋め込むことも可能になりつつある。本研究は、電場に反応して移動する流体を電気流体力学（Electrohydrodynamics）で駆動するポンプを利用し、三次元物体の内部にポンプや液路を埋め込む設計手法、LayerPumpを提案する。ポンプを埋め込むことで、物体内部の液体の流れを制御し、色や形、動きを変化させることができる。ポンプ機能には、電界に反応して流体が移動するEHD現象に注目し、レーザーカッターやカッティングプロッタなどのデジタル加工技術を用いて、位置や形状に応じた電気回路を作り、自由度の高い様々な形状のポンプを設計することができる。また、対象物内部の適切な位置にポンプと流路を配置するためのレイヤー構造のプレートを作成する方法を提案する。

Publications:
Juri Fujii, Satoshi Nakamaru, and Yasuaki Kakehi. 2021. LayerPump: Rapid Prototyping of Functional 3D Objects with Built-in Electrohydrodynamics Pumps Based on Layered Plates. In Proceedings of the Fifteenth International Conference on Tangible, Embedded, and Embodied Interaction (TEI ’21). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, Article 48, 1–7. DOI:https://doi.org/10.1145/3430524.3442453