소리를 이용해 물체를 정밀하게 이동

2018년 Arthur Ashkin은 미세한 입자를 조작하는 데 사용할 수 있는 레이저 빔인 광학 핀셋을 발명한 공로로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 많은 생물학적 응용 분야에 유용하지만 광학 핀셋이 제대로 작동하려면 극도로 제어된 정적 조건이 필요합니다.

"광학 핀셋은 공이 구멍에 떨어지는 것처럼 입자를 가두기 위해 가벼운 '핫스팟'을 생성하는 방식으로 작동합니다. 그러나 근처에 다른 물체가 있으면 이 구멍을 만들고 이동하기가 어렵습니다."라고 Romain Fleury 대표는 말합니다. EPFL 공과대학 파동공학 연구실.

Fleury와 박사후 연구원 Bakhtiyar Orazbayev와 Matthieu Malléjac은 음파를 사용하여 통제되지 않고 역동적인 환경에서 물체를 이동시키려고 지난 4년을 보냈습니다. 실제로 팀의 방법인 파동 운동량 형성은 물체의 환경이나 물리적 특성과 전혀 무관합니다. 필요한 모든 정보는 물체의 위치이며 나머지는 음파가 수행합니다.

Fleury는 "실험에서 물체를 가두는 대신 하키 스틱으로 퍽을 조종하는 것처럼 물체를 부드럽게 밀어 넣었습니다"라고 설명합니다.

스위스 국립과학재단(SNSF) 스파크(Spark) 프로그램의 자금 지원을 받는 색다른 방법이 다음과 같이 발표되었습니다. 자연물리학 프랑스 보르도 대학교, 카자흐스탄 나자르바예프 대학교, 오스트리아 비엔나 공과 대학교의 연구원들과 공동으로 연구를 진행했습니다.

매우 간단하고 매우 유망함

Fleury의 비유에서 음파가 하키 스틱이라면 탁구공처럼 떠 있는 물체는 퍽입니다. 연구실 실험에서 공은 큰 물 탱크 표면에 떠 있었고 그 위치는 머리 위 카메라에 포착되었습니다. 탱크 양쪽 끝에 있는 스피커 어레이에서 방출되는 가청 음파는 미리 결정된 경로를 따라 공을 지시하는 반면, 두 번째 마이크 어레이는 움직이는 공에서 튕겨 나갈 때 산란 매트릭스라고 불리는 피드백을 '듣습니다'. 카메라의 위치 데이터와 결합된 이 산란 매트릭스를 통해 연구원들은 공을 경로를 따라 조금씩 움직일 때 음파의 최적 운동량을 실시간으로 계산할 수 있었습니다.

Fleury는 "이 방법은 운동량 보존에 뿌리를 두고 있어 매우 간단하고 일반적이며 유망한 이유입니다."라고 말했습니다.

그는 파동 운동량 형성이 산란된 빛의 초점을 맞추는 데 사용되는 파면 형성의 광학 기술에서 영감을 얻었지만 이것이 물체 이동에 이 개념을 적용한 최초의 사례라고 덧붙였습니다. 게다가 팀의 방법은 경로를 따라 구형 물체를 이동하는 데만 국한되지 않고 회전을 제어하고 종이접기 연꽃과 같은 더 복잡한 플로터를 이동하는 데에도 사용되었습니다.

신체 내부의 상태를 모방

과학자들은 탁구공 유도에 성공한 후 시스템에 불균일성을 추가하도록 설계된 고정 및 이동 장애물을 사용하여 추가 실험을 수행했습니다. 이러한 산란 물체 주위에서 공을 성공적으로 탐색하는 것은 파동 운동량 형성이 인체와 같이 역동적이고 통제되지 않는 환경에서도 잘 수행될 수 있음을 보여주었습니다. Fleury는 소리가 무해하고 비침습적이기 때문에 생물 의학 응용 분야에서 특히 유망한 도구라고 덧붙였습니다.

"일부 약물 전달 방법은 이미 음파를 사용하여 캡슐화된 약물을 방출하므로 이 기술은 예를 들어 종양 세포를 향해 약물을 직접 밀어내는 데 특히 매력적입니다."

이 방법은 또한 세포를 만져 세포를 조작하면 손상이나 오염이 발생할 수 있는 생물학적 분석이나 조직 공학 응용 분야의 판도를 바꿀 수 있습니다. Fleury는 또한 미세한 입자를 물체로 굳히기 전에 배열하는 등 파동 운동량 형성을 위한 3D 프린팅 응용 분야도 보고 있습니다.

궁극적으로 연구자들은 그들의 방법이 빛을 사용해도 작동할 수 있다고 믿지만 다음 목표는 소리 기반 실험을 거시적 규모에서 미시적 규모로 확장하는 것입니다. 그들은 이미 초음파를 사용하여 세포를 이동시키는 현미경 실험을 수행하기 위해 SNSF 자금을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240625205634.htm