音波を利用して物体を正確に誘導する新研究: 条件変化にも対応

Tokyo2018年にアーサー・アシュキンは、光ピンセットの発明によりノーベル物理学賞を受賞しました。これはレーザー光線を使って微細な粒子を制御する技術ですが、特定の条件が必要です。光ピンセットは集束した光の点を利用して粒子を捕えるもので、この点を作り出し、動かすことは近くに他の物体があると難しくなります。

EPFLの波動工学研究所の所長であるロマン・フルーリは、様々な環境で物体を移動させる方法を模索していました。研究者のバキティヤール・オラズバエフとマチュー・マレジャックと共に、フルーリは音波を利用して物体を移動させる方法を4年間かけて開発しました。この方法は「波の運動量形成」と呼ばれ、簡単に実施でき、物体の周囲の環境や物理的特性に依存しません。必要なのは物体の位置だけで、音波がそれ以外のことをすべて行ってくれます。

主なポイント:

• 音波を利用して物体を移動させる技術
• 制御が難しい動的な環境でも効果を発揮
• 運動量の保存を基にした原理
• 『Nature Physics』誌に掲載された研究

彼らの実験では、オブジェクトを捕捉するのではなく移動させました。この方法は、スイス国立科学財団（SNSF）スパークプログラムによって資金提供されています。ボルドー大学、ナザルバエフ大学、ウィーン工科大学の研究者たちが共同で研究を行いました。

実験室での実験では、卓球ボールを大きな水槽の表面に浮かべました。上部に設置されたカメラでボールの位置が記録されました。水槽の両端に置かれたスピーカーから音波を放出し、ボールを特定の経路に沿って動かしました。また、ボールから跳ね返ってきた音波をマイクが拾い、そのデータから「散乱行列」と呼ばれるパターンが作成されました。

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研究者たちは散乱行列とカメラデータを活用して、音波を制御しボールを希望通りに動かす最適な方法を発見しました。このシンプルで汎用性のあるアプローチは大きな可能性を秘めています。フルーリーは、この手法が光で散乱した光を集約する光学の技術からインスピレーションを得たと述べています。このアイデアを使って物体を動かすことができたのはこれが初めてのことです。

この手法は、詳細な紙モデルのような複雑な物体の回転や移動も制御できる。また、システムに障害物を追加し、不均一な条件でどのように機能するかを試験した。障害物を回避してボールをうまく導くことができたため、この技術は人体内のような変化する環境でも効果的に機能する可能性があることが示された。

音は安全で優しいため、医学において有用です。いくつかの薬物送達方法は、体内で薬を放出するのに音波を利用しています。これにより、薬を腫瘍細胞に直接届けることができます。この技術はまた、生物学の研究や組織工学にも役立ち、細胞を損傷させたり汚染物を持ち込んだりすることなく制御できます。

フルーリーは3Dプリンティングに興味を持っています。この技術は微細な粒子を特定の位置に配置し、それを固体の物体に変えることができます。研究者たちはこのプロセスが光とも一緒に機能するかもしれないと考えています。次のステップは、より小規模なスケールでの作業です。彼らはセルを顕微鏡下で動かすために超音波を試すため、SNSFから資金を得ました。