(57)【要約】【課題】安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法を提供する。【解決手段】板状体の表面に断面積が１ｍｍ2 以下の長溝１４、１６、２０が形成されている基板１２と、基板の表面に密着配置され、長溝を覆うことにより基板に微細な流路１４Ａ、１６Ａ、２０Ａを形成する覆い板２２とを備え、流路内の科学現象を視覚により認識可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状体の表面に断面積が１ｍｍ2 以下の長溝が形成されている基板と、
該基板の表面に密着配置され、前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する覆い板とを備え、
前記流路内の科学現象が視覚により認識可能となっていることを特徴とする科学現象の評価装置。
【請求項２】
前記基板及び／又は覆い板が透明である請求項１に記載の科学現象の評価装置。
【請求項３】
前記基板及び／又は覆い板が樹脂材よりなる請求項１又は２に記載の科学現象の評価装置。
【請求項４】
複数の前記流路の一端が、一箇所の合流点で合流するとともに、複数の前記流路の他端がそれぞれ容積５〜５０００ｍｍ3 の液溜め部と連通している請求項１〜３のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置。
【請求項５】
略同一長さの２本の前記流路である第１の流路及び第２の流路の一端が一箇所の合流点で合流するとともに、
前記第１の流路の他端が容積５〜５０００ｍｍ3 の第１液溜め部と連通しており、
前記第２の流路の他端が容積５〜５０００ｍｍ3 の第２液溜め部と連通しており、
１本の前記流路である第３の流路の一端が前記合流点に連通するとともに、該第３の流路の他端が容積５〜５０００ｍｍ3 の第３液溜め部と連通している請求項１〜４のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置。
【請求項６】
前記覆い板には、前記第１液溜め部、第２液溜め部及び第３液溜め部の１以上と外気とが連通可能な貫通孔が形成されている請求項５に記載の科学現象の評価装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置が携帯式の実験装置であることを特徴とする理科実験教材。
【請求項８】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は、前記請求項７に記載の理科実験教材の製造方法であって、
前記基板の長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成することを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法に係り、特に、安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
科学現象の評価装置や理科実験教材については、これまでに各種の構成のものが提案されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
たとえば、特許文献１は、空気中の水蒸気や容器に入れた水や水蒸気を冷却又は凍結せしめることにより、水の温度変化による自然現象を観察できるようにした理科教材であり、小型で構造が簡単であり、水の温度変化による各種の自然現象を忠実に再現することが可能であるとされている。
【０００４】
また、教育用途の化学実験装置としては、学習研究社等より、『科学と学習  実験キットシリーズ』、『大人の科学地球環境分析キット』等の実験キットが発売されている。このような実験キットは、数百円から３千円程度の比較的安い価格で販売されており、子供たちに夢を与えたり、ユーザーに実験の楽しみを与えたりする実験キットであり、好評を博している。
【特許文献１】特開２０００−２４２１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のこの種の科学現象の評価装置として、特許文献１に記載のようなものは、構成が比較的複雑で、安価に提供するのは困難であり、クラスの生徒全員が購入するのは不適である。
【０００６】
一方、構成が比較的単純な実験キットは、比較的安い価格のものが多く、クラスの生徒全員が購入して使用するのに適しているものの、仕上がり精度の点で不十分なものが多く、その分薬品など使用量が多く、クラスの生徒全員が使用した場合には、たとえば廃液処理等の点で環境負荷となり、望ましくない。
【０００７】
また、従来の実験キットによって体験できる実験内容は、古典的な科学実験法であり、先端技術を手軽に楽しむことができるものは、非常に限られている。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記目的を達成するために、板状体の表面に断面積が１ｍｍ2 以下の長溝が形成されている基板と、該基板の表面に密着配置され、前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する覆い板とを備え、前記流路内の科学現象が視覚により認識可能となっていることを特徴とする科学現象の評価装置を提供する。
【００１０】
本発明によれば、この評価装置には、断面積が１ｍｍ2 以下の微細な流路が形成されているので、先端技術、たとえば、この微細な流路内で生じる液体の拡散現象、液体の伝熱現象、液体の混合現象、液体の化学反応（たとえば、酸アルカリ反応、加水分解反応、等）、等の各種の現象を体験するのに十分な精度が得られ、薬品などの使用量が少なく環境負荷が小さい。したがって、このような科学現象の評価装置は理科実験教材としてふさわしい。
【００１１】
なお、微細な流路の断面積としては、１ｍｍ2 以下が好ましく、０．００２５〜０．６４ｍｍ2 がより好ましく、０．０１〜０．２５ｍｍ2 が最も好ましい。
【００１２】
本発明において、前記基板及び／又は覆い板が透明であることが好ましい。また、本発明において、前記基板及び／又は覆い板が樹脂材よりなることが好ましい。基板及び／又は覆い板が透明であれば、流路内の科学現象が視覚により認識でき、また、基板及び／又は覆い板が樹脂材よりなるのであれば、評価装置を安価に提供できる。
【００１３】
また、本発明において、複数の前記流路の一端が、一箇所の合流点で合流するとともに、複数の前記流路の他端がそれぞれ容積５〜５０００ｍｍ3 の液溜め部と連通していることが好ましい。このように、複数の流路の一端が、一箇所の合流点で合流しており、流路の他端が液溜め部と連通していることにより、各種の実験が可能となる。
【００１４】
なお、「液溜め部」とあるが、通常は空洞状となっており、この評価装置を操作する際に、ここに薬品等が供給されるものである。
【００１５】
また、本発明において、略同一長さの２本の前記流路である第１の流路及び第２の流路の一端が一箇所の合流点で合流するとともに、前記第１の流路の他端が容積５〜５０００ｍｍ3 の第１液溜め部と連通しており、前記第２の流路の他端が容積５〜５０００ｍｍ3 の第２液溜め部と連通しており、１本の前記流路である第３の流路の一端が前記合流点に連通するとともに、該第３の流路の他端が容積５〜５０００ｍｍ3 の第３液溜め部と連通していることが好ましい。
【００１６】
このように、３本の流路と３個の液溜め部よりなる構成とすれば、マイクロなチャンネルの中で起こる拡散現象等を簡便な方法で確認でき、先端技術を手軽に楽しむのに好適である。
【００１７】
また、本発明において、前記覆い板には、前記第１液溜め部、第２液溜め部及び第３液溜め部の１以上と外気とが連通可能な貫通孔が形成されていることが好ましい。このように、液溜め部と外気とが連通していれば、マイクロなチャンネルの中で起こる各現象のコントロールが容易に行える。
【００１８】
また、本発明は、前記の科学現象の評価装置又は理科実験教材の製造方法であって、前記基板の長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成することを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法を提供する。
【００１９】
本発明によれば、長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して転写成形により基板を形成するので、精度よく、かつ、安価に基板が提供でき、評価装置を安価にできる。ここで、「反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、」とあるが、反転型板の表面に樹脂材を当て、ホットプレス等により長溝の形状を樹脂材の表面に転写形成する等の方法も、同一技術思想に基づくものであり、本発明の均等範囲であると言える。
【００２０】
なお、科学現象とは、上記の微細な流路内で生じる液体の各種化学現象、物理現象等であり、液体の拡散現象、液体の伝熱現象、液体の混合現象、液体の化学反応（たとえば、酸アルカリ反応、加水分解反応、等）、等各種の現象を含むものである。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、この評価装置には、断面積が１ｍｍ2 以下の微細な流路が形成されているので、先端技術を体験するのに十分な精度が得られ、薬品などの使用量が少なく環境負荷が小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面に従って、本発明に係る科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本発明に係る科学現象の評価装置である理科実験教材１０の構成を説明する平面図である。図２及び図３は、図１の部分拡大断面図等であり、図２は、第１液溜め部２４（図１の左上部点線内）を示し、図３は、第３液溜め部２８（図１の右下部点線内）を示す。
【００２３】
すなわち、理科実験教材１０は、板状体の表面に断面積が１ｍｍ2 以下の長溝（１４、１６及び２０）が形成されている基板１２と、この基板１２の表面に密着配置され、長溝を覆うことにより基板１２に微細な流路（１４Ａ、１６Ａ及び２０Ａ）を形成する透明な覆い板２２とより構成される。
【００２４】
上記の長溝（１４、１６及び２０）により形成される微細な流路は、合流点１８で合流する略同一長さの第１の流路１４Ａ及び第２の流路１６Ａと、この第１の流路１４Ａ及び第２の流路１６Ａと更に合流点１８で合流する第３の流路２０Ａよりなる。
【００２５】
また、第１の流路１４Ａの他端は、覆い板２２に形成された円柱状空洞部である第１液溜め部２４と連通しており、第２の流路１６Ａの他端は、覆い板２２に形成された円柱状空洞部である第２液溜め部２６と連通しており、第３の流路２０Ａの他端は、基板１２に形成された円柱状空洞部である第３液溜め部２８と連通している。
【００２６】
更に、覆い板２２の第３液溜め部２８に相対する部分には、第３液溜め部２８と外気とが連通可能な貫通孔３０が形成されている
第１液溜め部２４、第２液溜め部２６及び第３液溜め部２８の容積は、５〜５０００ｍｍ3 であることが好ましい。このような容積にすることにより、マイクロなチャンネルの中で起こる各現象のコントロールが容易に行える。
【００２７】
基板１２及び覆い板２２の平面サイズは、特に制限はないが、学校で使用する理科実験教材１０の性質上より、携帯できるサイズ、たとえば、８０×５０ｍｍとすることができる。基板１２及び覆い板２２の厚さも、特に制限はないが、強度、経済性等より、たとえば、それぞれ５ｍｍ程度とすることができる。
【００２８】
基板１２の材質としては、特に制限はないが、後述する製造方法を容易にする点より、樹脂材料、より具体的には、ポリ・ジメチル・スルホキシド（ＰＤＭＳ）、ポリ・メチル・メタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）等が好ましく使用できる。
【００２９】
基板１２の表面に形成する長溝（１４、１６及び２０）の断面積としては、既述のように、１ｍｍ2 以下が好ましく、０．００２５〜０．６４ｍｍ2 がより好ましく、０．０１〜０．２５ｍｍ2 が最も好ましい。この長溝（１４、１６及び２０）の断面形状は、特に制限はなく、矩形（正方形、長方形）、台形、Ｖ形、半円形等、各種の形状が採用できるが、後述する製造方法を容易にする点より、矩形（正方形、長方形）が好ましい。
【００３０】
覆い板２２の材質としては、特に制限はないが、流路内の科学現象を視覚により認識可能とすることより、透明であることが好ましい。このような材料として、各種樹脂板、より具体的には、ポリジメチルスルホキシド（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）等、各種樹脂膜、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等、各種ガラス（ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス等）が採用できる。
【００３１】
この覆い板２２は、表面及び裏面が平坦な平板であるのが一般的であるが、微細な流路（１４Ａ、１６Ａ及び２０Ａ）に対応する表面を蒲鉾状の凸レンズ状に形成して、拡大した状態で観察ができるような構成とすることも可能である。
【００３２】
なお、覆い板２２が不透明であり、基板１２を透明とする構成も採用できる。
【００３３】
基板１２の表面（長溝が形成される面）及び覆い板２２の裏面（基板１２に密着する面）は、流路（１４Ａ、１６Ａ及び２０Ａ）の形成、及び液漏れの防止等の点より、十分な平坦性を確保できていることが好ましい。
【００３４】
次に、基板１２の形成方法について説明する。先ず、基板１２の長溝（１４、１６及び２０）の反転形状が表面に形成されている反転型板を準備する。この反転型板の表面には、更に第３液溜め部２８の反転形状を形成しておく必要がある。この反転型板の製造方法としては、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工等、公知の各種加工方法が採用できる。
【００３５】
次いで、この反転型板の表面に剥離剤を塗布する。この剥離剤としては、基板１２となる樹脂材の種類、加工条件（温度等）等に応じて適宜のものが採用できる。
【００３６】
次いで、反転型板の表面に樹脂材を塗布し、この樹脂材を硬化させる。樹脂材が、たとえば紫外線硬化樹脂である場合には、塗布後の樹脂材に紫外線を照射して硬化させる。樹脂材が、たとえばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のような熱可塑性樹脂である場合には、反転型板の表面に樹脂材を当ててホットプレス機により熱転写成形を行う。
【００３７】
そして、硬化後の樹脂材を反転型板より剥離する。
【００３８】
このような方法によれば、長溝が精度よく、かつ、安価に形成でき、評価装置を安価にできる。
【００３９】
次に、本発明に係る理科実験教材１０の使用方法について説明する。理科実験教材１０としては、以下の１）〜１２）の部材をセットとして提供する必要がある。
【００４０】
１）反転型板
２）基板１２用の樹脂材
３）基板１２形成用の型枠
（基板１２の形成時に樹脂を流し込むときに型枠として使用する。）
４）覆い板２２
５）サンプル液用スポイト
（テスト目的に応じて、必要なサンプル液（試薬）を、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６に供給するために使用する。薬品ごとに専用でも、１つを洗浄して使いまわしても構わない。）
６）サンプル液出入り口封止用テープ
（サンプル液供給用ホールである第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６の蓋となる。サンプル液をピペットで第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６に供給後、蓋をするためのものである。また、第３液溜め部２８の蓋として使用することもできる。）
７）針
（サンプル液を供給する場合、又は、回収する場合、液体が送受液される時に液体の変動分の空気を第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６に入れるため、必要に応じてテープに孔を開けるためのものである。）
８）ケーシング
（本実験セットを組み上げた時、覆い板２２と基板１２との間よりの液漏れを防いだり、覆い板２２等の破損を防止したりする目的で、このケーシングを取り付ける。なお、このケーシングには実験目的に沿った各種機能、たとえば、流路を観察しやすくするための拡大鏡等の取り付けも可能である。）
９）送液手段
（第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６にテープで蓋をした状態で、この第１液溜め部２４及び第２液溜め部に熱を加えると（指先をテープに当て、体温で加熱等すると）、この第１液溜め部２４及び第２液溜め部２内の液体、及び／又は、気体が体積膨張する。この現象を利用した送液方法。
【００４１】
第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６内をポンプの原理を利用した方法で加圧して、内部の液体を送り出す方法、などが可能である。
【００４２】
この場合、前述７）の針を用いて、第３液溜め部２８にテープが貼られている場合には、これに小さな孔を開ける。
【００４３】
また、第３液溜め部２８側をポンプなどを用いて減圧したり、第３液溜め部２８上に氷塊を置き、第３液溜め部２８内部の気体を収縮させて減圧したりすることにより、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６内にあるサンプル液を流路（１４Ａ、１６Ａ及び２０Ａ）に入れる場合には、第１液溜め部２４及び第２液溜め部のテープ蓋に前述７）の針を用いて小さな孔を開けることにより送液を可能にする。）
１０）試験用サンプル液（試薬）
（本科学実験を行うためのテスト試薬として目的に合った必要な薬品を試薬容器に入れて供給する。サンプル液としては、たとえば、色素、又は、顔料などに代表される着色性液体と水など透明液体とが挙げられる。）
１１）実験解説書
（本セットで行う実験の目的、現象の説明、応用用途など、このセットで学習できる事象の解説書を必要に応じて添付する。）
１２）実験方法手順書
なお、本セットは、生徒に基板１２を手作りさせるためのセットであるが、この基板１２の手作りを省略する場合には、１）〜３）に代えて、完成した基板１２を入れればよい。
【００４４】
このセットを使用した実験の詳細については、以下に詳述する。図４及び図５は、実験方法の手順を示す断面図である。このうち、図４は、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６における時系列的な手順を示す。一方、図５（ａ）は、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６にサンプル液を供給した実験開始の状態を示し、図５（ｂ）は、第３液溜め部２８にサンプル液が到達した実験終了の状態を示す。
【００４５】
図４（ａ）に示されるように、サンプル液用スポイト３２により第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）に所定量のサンプル液３４を供給する。このサンプル液３４は、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示されるように、第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）内の流路１４Ａ（又は１６Ａ）と連通する部分を塞ぐように供給される。
【００４６】
次いで、図４（ｃ）に示されるように、サンプル液出入り口封止用のテープ３６により第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）に蓋をする。このテープ３６は、片面（図では下面）に粘着材がコートされているものであり、これにより、第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）が外気と遮断される。
【００４７】
次いで、図４（ｄ）に示されるように、テープ３６の上に指先３８を接触させる。これにより、第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）に送液手段が形成される。この送液手段は、既述したように、指先３８の熱により第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）内の気体が体積膨張し、サンプル液３４を流路１４Ａ（又は１６Ａ）に送り込むことによりなされる。
【００４８】
また、図４（ｄ）に示される同様の構成において、この送液手段が、指先３８でテープ３６を押して下方に撓ませ、第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）の容積を減少させることにより、サンプル液３４を流路１４Ａ（又は１６Ａ）に送り込むことによりなされるのであってもよい。
【００４９】
以上に説明した送液手段により、図５（ｂ）に示されるように、サンプル液３４が第３液溜め部２８に到達し、実験が終了する。この際、図１の第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６より、それぞれ送液手段により、同時にサンプル液３４を流路１４Ａ及び流路１６Ａに送り込むことにより、サンプル液３４が合流点１８で合流する様が観察できる。
【００５０】
特に、第１液溜め部２４と第２液溜め部２６に供給するサンプル液３４の色を違えておくことにより、サンプル液３４が合流点１８で合流する様が観察しやすい。たとえば、第１液溜め部２４に着色したサンプル液３４を供給し、第２液溜め部２６に無色透明なサンプル液３４を供給する態様である。
【００５１】
実験者は、このようにして流れるサンプル液３４の合流点１８以降の流路２０Ａを観察することにより、マイクロチャンネル内を流れる着色液側から色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を確認することができる。
【００５２】
また、第１液溜め部２４と第２液溜め部２６に供給するサンプル液３４の色を違えておくのみならず、粘度を違えておくことにより、サンプル液３４が合流点１８で合流する様が異なって観察できる。
【００５３】
なお、これらの現象をより観察しやすくするために、虫眼鏡、拡大鏡などを使用することもできる。また、既述のように、流路２０Ａの部分の覆い板２２に拡大鏡機能（レンズ機能）を持たせることもできる。
【００５４】
以上に説明した理科実験教材１０によれば、マイクロな世界での科学実験を子供たちに楽しく夢を持って行って貰うために、重要な部分をできるだけ簡素化して、安価にでき、かつ、実験は高精度に行える。
【００５５】
特に、化学反応の元になる分子の拡散現象等を定性的に観察する場合、実験精度を向上させるために、複数の液が少なくとも同じ条件で流路内を流れることが非常に重要であるが、この要求に十分に答えられる。すなわち、非常に簡便、安価な手段で比較的精度よい実験が可能である。また、マイクロな世界での実験のため、色素、又は、顔料などに代表される化学薬品の使用量も非常に少なくて済み、環境負荷が大幅に軽減できる。
【００５６】
以上、本発明に係る科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【００５７】
たとえば、本実施形態では、２種類のサンプル液３４が合流点１８で合流し、色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を観察できる実験教材の例を説明したが、これ以外の各種の実験教材としても適用できる。
【００５８】
また、本実施形態では、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６を覆い板２２に形成し、第３液溜め部２８を基板１２に形成しているが、これ以外の態様、たとえば、全ての液溜め部を覆い板２２に形成する態様も採用できる。
【００５９】
また、本実施形態では、流路と液溜め部を３組設ける構成としたが、４組以上設ける構成も採用できる。
【００６０】
更に、サンプル液（試薬）を液溜め部（２４、２６等）に供給するために、サンプル液用スポイト３２が使用されているが、これに代えて、同様の機能を有する注射器、マイクロシリンジ等を使用することもできる。理科実験教材としては、一般的には、安価なスポイトを使用するのが望ましいが、テスト目的に応じては、上記のように同様の機能を有するものが好ましいこともある。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る科学現象の評価装置の構成を説明する平面図
【図２】図１の部分拡大断面
【図３】図１の部分拡大断面図等
【図４】実験方法の手順を示す断面図
【図５】実験方法の手順を示す断面図
【符号の説明】
【００６２】
１０…理科実験教材、１２…基板、１４、１６、２０…長溝、１４Ａ…第１の流路、１６Ａ…第２の流路、１８…合流点、２０Ａ…第３の流路、２２…覆い板、２４…第１液溜め部、２６…第２液溜め部、２８…第３液溜め部、３０…貫通孔、３２…サンプル液用スポイト、３４…サンプル液、３６…テープ、３８…指先
【図１】
2005234390.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005234390.tif 000005
【図４】
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【図５】
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