Objekte mit Schallwellen entlang vorgegebener Pfade lenken: innovativer Ansatz von EPFL-Forschern

Berlin2018 erhielt Arthur Ashkin den Nobelpreis für Physik für die Erfindung der optischen Pinzette. Diese Laserstrahlen können winzige Teilchen kontrollieren, erfordern jedoch spezielle Bedingungen, um zu funktionieren. Optische Pinzetten fangen Partikel mit einem fokussierten Lichtpunkt ein. Allerdings ist dieser Punkt schwer zu erzeugen und zu bewegen, wenn sich andere Objekte in der Nähe befinden.

Romain Fleury, Leiter des Labors für Welleningenieurwesen an der EPFL, hatte das Ziel, Objekte in verschiedenen Umgebungen zu bewegen. Gemeinsam mit den Forschern Bakhtiyar Orazbayev und Matthieu Malléjac entwickelte Fleury über vier Jahre hinweg eine Methode, die Schallwellen nutzt, um Objekte zu bewegen. Diese Methode, bekannt als wave momentum shaping, ist unkompliziert und erfordert keine spezifischen Eigenschaften oder Umgebungsbedingungen des Objekts. Es genügt zu wissen, wo sich das Objekt befindet – den Rest erledigen die Schallwellen.

Kernpunkte:

• Verwendet Schallwellen, um Objekte zu bewegen
• Funktioniert in unkontrollierten, dynamischen Umgebungen
• Basierend auf der Impulserhaltung
• Veröffentlicht in Nature Physics

In ihren Experimenten verlagerten sie Objekte, anstatt sie zu erfassen. Dieses Verfahren wurde durch das SNSF Spark-Programm der Schweizerischen Nationalfonds finanziert. Forscher der Universität Bordeaux, der Nazarbayev-Universität und der Technischen Universität Wien arbeiteten gemeinsam daran.

Für die Laborexperimente wurde ein Tischtennisball auf die Wasseroberfläche eines großen Tanks gelegt, wo er schwamm. Eine Kamera von oben zeichnete die Position des Balls auf. Lautsprecher an beiden Enden des Tanks sendeten Schallwellen aus, um den Ball entlang einer vorgegebenen Bahn zu bewegen. Mikrofone erfassten die vom Ball reflektierten Schallwellen und erzeugten dabei ein Datenmuster, das als Streumatrix bekannt ist.

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Die Forscher nutzten die Streumatrix und Kameradaten, um herauszufinden, wie man die Schallwellen am besten steuern kann, damit der Ball wie gewünscht in Bewegung bleibt. Dieser einfache und vielseitige Ansatz zeigt großes Potenzial. Fleury erwähnte, dass die Methode von einer Technik inspiriert wurde, die in der Optik verwendet wird, um gestreutes Licht zu fokussieren. Dies war das erste Mal, dass diese Idee eingesetzt wurde, um ein Objekt zu bewegen.

Die Methode kann auch Rotationen steuern und komplexere Objekte bewegen, wie beispielsweise ein detailreiches Papiermodell. Anschließend fügten sie dem System Barrieren hinzu, um zu testen, wie es mit unebenen Bedingungen zurechtkommt. Das erfolgreiche Manövrieren des Balls um diese Hindernisse zeigte, dass die Technik auch in variierenden Umgebungen, wie etwa im menschlichen Körper, funktionieren könnte.

Schallwellen in der Medizin: Sanft und wirkungsvoll

Schall spielt in der Medizin eine wichtige Rolle, da er sicher und schonend ist. Einige Methoden zur Medikamentenverabreichung nutzen Schallwellen, um Medikamente direkt im Körper zu freizusetzen, was eine gezielte Behandlung von Tumorzellen ermöglicht. Diese Technik ist auch nützlich für die biologische Forschung oder Gewebetechnik, da sie Zellen kontrollieren kann, ohne sie zu schädigen oder Verunreinigungen einzuführen.

Fleury ist begeistert von 3D-Drucktechnologie. Mit diesem Verfahren können winzige Partikel an bestimmten Positionen platziert werden, bevor sie zu festen Objekten werden. Die Forscher glauben, dass dieses Verfahren auch mit Licht funktionieren könnte. Ihr nächster Schritt ist die Arbeit im kleineren Maßstab. Sie haben finanzielle Unterstützung von der SNSF erhalten, um ultrasonische Wellen zu nutzen, um Zellen unter einem Mikroskop zu bewegen.