空気中のバレエ：音波による粒子浮遊の制御

「宇宙で誰もあなたの悲鳴を聞くことはありません」-同様に有名な映画「エイリアン」（1979）の文字通りしきい値からのこの有名なフレーズは、2つのことを教えてくれます。 第一に、それはホラー映画であり、第二に、真空では文字通り誕生から私たちの多くが慣れているもの、すなわち音が広がらないことです。 音波は私たちをいつでもどこでも取り囲んでいますが、私たちは見ていません。 彼らができたらどうしますか？ もっと正確に言えば、音が「テレキネティック」力として使用できるとしたらどうでしょうか？ デバイスをセットアップし、周波数と出来上がりを選択します-オブジェクトは好きなように動きます。 今日は、ホログラフィック音響ピンセットと呼ばれる新しい技術の研究を検討します。これにより、科学者は粒子が示すパターンに従って粒子を浮揚させました。 科学者はどのようにして微粒子からコッパーフィールドを作成し、技術はどの程度効率的であり、科学者はどのような用途でそれを見ることができましたか？ 私たちは、研究グループの報告書でこれらの質問や他の質問に対する答えを探します。 行こう



研究の基礎



科学者は、ホログラフィック音響ピンセット（HAP）の技術を、その従兄弟GOP（略語の略語）-ホログラフィック光ピンセットと比較します。 GOPは1986年に成功を収めました。 それ以来、この技術は医学、DNA研究、および3次元投影の作成に積極的に関与しています。 基本的に、GOPを使用すると、レーザー放射によって個々の粒子を操作できます。 HAPも同じことを行いますが、光の代わりに音波（または超音波）を使用します。



催眠状態でミツバチのように飛ぶことができる物体の寸法は1ミクロンから1センチメートル以上であり、これは非常に印象的です。 現時点では、粒子の浮揚は空気と水中で実現できます。 しかし、科学者は、この技術を実装して、生体内、たとえば人体の内部で作業する可能性についても話します。 研究者たちは、HAPに取り組んでいるのは、怠idleな好奇心ではなく、新しい医療ツールの作成を望んでいます。



HAPの単位入力パワーあたりの音響放射パワーは、光ピンセットよりも5桁大きいことに注意してください。 したがって、HAPは、携帯電話レベルでデバイスを操作するための優れたオプションになります。



研究者は、以前は音波のために粒子を正しい位置に配置することはすでに可能であったが、グループになっていることに注意しています。 この調査では、個々の粒子を個々のパターン（ルート）に沿って移動できる技術が実装されています。 1つは左に送られ、もう1つは上に送られ、3つ目は下に送られました。 これまで可能だった最大のことは、マイクロ流体チャンバー内のエミッターリングを使用して、2次元空間内の2つの水粒子のみを個別に操作することでした。



ここでは、すべてが少し異なります。 研究者は超音波フェイズドアレイ*を使用し、アルゴリズムによって放射場を制御しました。

超音波フェーズドアレイ* -アレイ自体を動かさずに、フォーカスの位置を変更したり、いくつかのトリックを作成したりできるデバイス。

GOPテクノロジーで使用されるアルゴリズムは、音響ピンセットには適していません。 光学では、粒子に焦点を合わせて捕捉するだけで十分です。 ただし、音響学では、音響インピーダンス*が環境のインピーダンスよりも小さい粒子のみを捕捉できます。 つまり、粒子には「負のコントラスト」が必要です。

音響インピーダンス*は、媒体の音響インピーダンスです。 音速の振幅と空間速度の変動の比。

ただし、空気と水の両方のほとんどの粒子には、正のコントラストがあります。 したがって、音波による粒子捕獲は、定在波の特定のセクション（ノード内）、 集中渦*などでのみ可能です。





赤い点は、定在波のノードを示します。

集中渦* -直径が無限小の極端に低い強度の渦管で、その隣で円の周りを液体が動き始めます。

そのため、研究者は反復逆伝播法（IB）アルゴリズムを使用して、格子要素の放射位相を計算しました。



そして、「試験パイロット」として、直径1〜3 mmのポリスチレンのボールがありました。





空気中の粒子による設置のデモンストレーション（私にとっては非常にクールです）。



調査結果



最初のテストの開始時に、粒子は反射面に動かずに位置していました。 音響ビームがそのような表面にある粒子に焦点を合わせると、表面の上のλ/ 4の位置にある最初のノードで局所定在波が発生します（画像番号1）。 これは、入力フィールドと反射フィールドの間の干渉によるものです。 このサイトでは、3次元すべてで、粒子を捕捉するために必要な力が収束します。 複数の粒子を同時に操作するには、複数の焦点を一度に作成する必要があります。これにより、屈折よりも高い位置にある粒子を捕捉できます。





イメージNo. 1



そしてここで、粒子位置の焦点をマークできるようにする上記のアルゴリズムが必要です。 そして、放射フェーズは、結果として、フォーカスの動きを動的に制御し、結果として粒子の動きを制御します。



科学者によると、IBアルゴリズムの使用により、焦点での圧力振幅が最大化され、異なるポイント間の偏差が最小化されることが保証されます。 したがって、操作される粒子の数に関係なく、粒子間の最小距離は1.3 cm（1.5λ）でした。





リフレクターの上のλ/ 4の高さで空気中の10個の粒子を操作するデモ。



粒子間の距離を短くすると、焦点が融合し、粒子を個別に操作することができなくなります。



励起信号レベルは9.5 Wの入力電力で10 Vpp（ボルトピーク間）*であったため、12個の粒子を個別に同時に操作できました。 信号が16 Vppに増加すると、操作されたパーティクルの数は25になります。

Vpp（ボルトピークツーピーク）*は、信号のピーク電圧であり、波の上部から下部まで測定されます。

また、この研究は、出力の増加が操作可能な粒子の最大数に影響を与えないことを示しました。 したがって、28個の粒子をキャプチャしようとすると、不要なアーティファクトが発生し始め、その強度はキャプチャポイントの強度に等しくなりました。





25個のパーティクルを操作するデモ。



HAPは、軌道パルスモーメントをキャプチャおよび送信するための単一渦ビームの生成にも使用できました。





粒子の3つの独立した渦。



このシステムでは、IBアルゴリズムを使用して、独立したキラリティを持つ複数の渦を一度に生成できます。





このビデオでは、水面上の3つの別々の渦を見ることができます。そのキラリティは、科学者によってリアルタイムで変更されました。



プロセスをよりよく見るために、渦の間の距離は意図的に大きくしました。 ただし、科学者が取得できる最小距離は1.4 cm（1.6λ）で、同時渦の最大数は5でした。



科学者はまた、システムでそれらを再現することにより、音響二重トラップの理論をテストしました（以下のビデオ）。 ダブルトラップの力と渦を組み合わせることもできましたが、この方法では、このような結合力は横方向の力の30倍弱いため、粒子を長時間浮上させることはできませんでした。





ダブルトラップ+旋風。



ビデオでは、4つの粒子すべての方向が異なることも示されており、ダブルトラップを回転させることで変更できます。 このシステム構成により、7つのダブルトラップを同時に実現することが可能になり、その間の最小距離は約1.4λでした。



三次元操作を検証するために残っています。 これを行うために、科学者は、23 cm（26.7λ）のスペースで隔てられた2つの反対方向の格子（16x16エミッター）の両面格子を使用しました。





12個の粒子の3次元操作。







ホログラフィック光ピンセットを使用すると、27個の粒子を一度に3次元で操作できます。 HAPの場合、設置の寸法（16x16）、空間的離散化、および圧力レベルにより、この数は少なくなります（12粒子）。 しかし、科学者は25個の粒子を部分的に制御することができました。 それらのいくつかは、空気中の粒子の振動に対する抵抗力を高めるために強度が増加したため、グリップから「スリップ」しました。



この研究の詳細（計算、アルゴリズムの操作、方法） については、科学者のレポートとそれに追加された資料を参照することをお勧めします。



エピローグ



サウンドは、一見しただけでは単純ではありません（奇妙なフレーズが判明しました）。 科学界では、光学系とそのコンポーネントの研究、特定の光学的側面の使用と実装の新しい方法の特定に多くの注意が払われています。 しかし、音響学にはいくつかの興味があり、それは驚くだけでなく、信じられないほど便利です。



彼らの研究における科学者自身は、彼らの仕事は医学の実施を目的としていると言います。 侵襲的介入なしに粒子（たとえば、薬）を人体の必要な部分に向けることができる技術の創造は、この研究の主な仕事です。 粒子自体のサイズが信じられないほど小さい可能性があることは言うまでもなく、治療だけでなく複雑な生体系の研究においても新しい可能性を開きます。



新しいインストールはすでに良い結果を示しています。 もちろん、引き締め、改善、改善の余地は多くありますが、最初のステップはすでに実行されています。 このような作業は、実装の急峻さやありそうにないだけでなく、科学者が追求する目標にも特別な注意を払う必要があります。 これらの目標が人間の幸福に関連している場合、研究とそれを実施する人々は二重の尊敬に値します。



エピローグ2.0



私の親愛なる読者の皆さん、今日は今年最後にあなたと会っている（あるいは読んでいる）のです。 信じられないほどの、驚くべき、そして時々面白い研究、発見、作品、理論がたくさんありました。 来年はさらに科学的な研究ができると確信しています。 そしてそれは良いことです。 科学は発展しており、私たちはそれとともに発展しています。



新年の到来を祝う方法（またはまったくしない方法）、愛する人のことを忘れないでください。幸せです。 また来年ね







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