음파를 사용하여 변화하는 조건에서 물체를 정확하게 유도하는 방법에 대한 연구

Seoul2018년에 아서 애슈킨은 광학 집게를 발명한 공로로 노벨 물리학상을 받았습니다. 광학 집게는 레이저 빔으로, 미세한 입자를 제어할 수 있지만 특별한 조건을 필요로 합니다. 이 집게는 집중된 빛으로 입자를 가두는데, 이 빛의 점을 만들고 움직이는 것이 주변에 다른 물체가 있을 때는 어렵습니다.

로만 플뢰리 박사는 EPFL의 파동공학 연구실에서 다양한 환경에서 물체를 이동시키는 방법을 고민했습니다. 연구원인 바흐티야르 오라즈바예프와 마티유 말레작과 함께, 플뢰리는 4년간에 걸쳐 소리 파동을 이용하여 물체를 이동시키는 방법을 개발했습니다. 이 방법은 파동 운동량 조형이라고 불리며, 간단하고 물체의 주변 환경이나 물리적 특성에 의존하지 않습니다. 물체의 위치만 알면 됩니다. 나머지는 소리 파동이 스스로 해결합니다.

주요 사항:

• 음파를 이용하여 물체를 이동
• 임의의 동적인 환경에서도 작동 가능
• 운동량 보존에 기반
• 네이처 피직스에 발표

그들의 실험에서, 물체를 잡는 대신 이동시키는 방법을 사용했습니다. 이러한 방식은 스위스 국립 과학 재단(SNSF) 스파크 프로그램의 지원을 받았습니다. 보르도 대학교, 나자르바예프 대학교, 비엔나 공과대학교의 연구원들이 함께 협력했습니다.

실험실 실험에서 탁구공을 큰 수조의 표면에 두고 떠있도록 하였습니다. 천장에 설치된 카메라가 공의 위치를 기록했습니다. 수조의 양끝에 있는 스피커는 공을 특정 경로로 움직이기 위해 음파를 발사했습니다. 마이크는 공에 부딪혀 반사된 음파를 포착하여, 산란 행렬이라는 데이터 패턴을 형성했습니다.

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연구진은 산란 행렬과 카메라 데이터를 활용하여 공을 원하는 대로 움직이기 위한 최적의 소리파 제어 방법을 찾아냈습니다. 이 간단하고도 다재다능한 접근 방식은 큰 잠재력을 보여줍니다. 플뢰리는 이 방법이 빛의 산란을 집중시키는 광학 기술에서 영감을 받았다고 언급했습니다. 이것은 이 아이디어가 물체를 움직이는 데 사용된 최초의 사례입니다.

이 방법은 복잡한 물체를 움직이고 회전을 제어할 수 있으며, 이는 정교한 종이 모델과 같은 것도 포함됩니다. 연구진은 시스템에 장애물을 추가하여 불균일한 환경에서의 작동 방식을 실험했습니다. 이 장애물 주위를 공을 성공적으로 안내한 것은 이 기술이 변화하는 환경에서도 효과적으로 작동할 수 있음을 보여주었으며, 이는 인체 내부와 같은 경우에도 해당됩니다.

의학에서 소리는 안전하고 부드러운 특징 때문에 유용합니다. 몇몇 약물 전달 방법은 음파를 사용하여 체내에서 약물을 방출합니다. 이를 통해 약물을 종양 세포에 직접적으로 전달할 수 있습니다. 이 기술은 세포를 손상시키거나 오염물질을 유입시키지 않고 제어할 수 있어 생물학 연구나 조직 공학에도 유용하게 사용될 수 있습니다.

플뢰리는 3D 프린팅에 대해 매우 흥미로워하고 있다. 이 과정은 매우 작은 입자를 특정 위치에 배치한 후 이를 고체로 만드는 기술이다. 연구원들은 이 과정이 빛과도 작용할 수 있을 것으로 생각하고 있다. 그들의 다음 단계는 더 작은 규모에서 작업하는 것이다. 그들은 SNSF로부터 현미경 하에서 세포를 초음파로 이동시키는 실험을 위한 자금을 받았다.