単純なラウドスピーカーのセットを使用して、科学者は空中で物体を浮揚させて回転させる方法を見つけました。完成すれば、この「ソニック トラクター ビーム」は、腎臓結石の治療から国際宇宙ステーションでの人工重力の生成まで、さまざまな用途に使用できる可能性があります。
科学者はこれまで、音を使って物体を浮揚させてきました。音は鼓膜を動かすのに十分強い圧力の波であるため、この偉業は驚くべきことではありません。ただし、可聴音の代わりに、ソニック レビテーションは、人間の可聴範囲を超える、より高い超音波周波数を利用します。適切な構成のラウドスピーカーから発せられると、これらの音波が結合して、干渉パターンと呼ばれる音の足場を形成します。これは、小さな物体を空中に保持できる一種の力場です。
以前は、物体を持ち上げるために、科学者はスピーカーのバンクを反対側に配置するか、片側にバンクを配置し、反対側に音響反射板を配置する必要がありました。新しい研究では、本日 Nature Communications でオンラインで報告されました 、物理学者は、片側にあるスピーカーのブロックを1つだけ使用して浮揚を実現します。そのために、この「片面エミッター」を使用して物体を浮揚させるために必要な正確な干渉パターンを計算する特別なアルゴリズムを採用しています。この新しい技術により、科学者は浮遊物体を垂直方向および横方向に動かすことができますが、以前の技術ではできなかった物体の回転も可能になります。さらに、片側スピーカーのセットアップにより、浮遊物へのアクセスが容易になり、浮遊物をより正確に制御できます。
「何回試行して失敗したかを理解するのは困難です」と、筆頭著者で英国のブリストル大学の機械エンジニアであるブルース・ドリンクウォーターは言います。 「あなたはこのスピーカーの配列を持っていて、浮揚すべきだと思われる場所に粒子を連続的に飛ばし、そしてそれらが連続的に落下するのを見ています。」しかし、アルゴリズムの助けを借りて、Drinkwater と彼の同僚は、空中にぶら下がっているか、独自の軸で回転しているか、左右に踊っているかにかかわらず、ビーズの動きを指示することができました。 「[アルゴリズム] が機能するようになった後、[ビーズ] を入れると、そこにとどまりました。本当に素晴らしかったです。」
このアルゴリズムは、ビーズを浮かせたままにするだけでなく、ある程度自由にねじったり動かしたりできる、可能な限り最良の干渉パターンを構築することによって機能します。干渉パターンは、さまざまなスピーカーから出る波の正確な同期、または「位相」を調整することによって生じます。位相差を適切に設定することで、研究者は波を組み合わせて、ある場所では互いに強化し、他の場所では互いに打ち消し合うようにします。このようにして、著者らは「音響ホログラム」と呼んでいる高圧領域と低圧領域の複雑な 3D パターンを作成し、重力に抗してビーズを支えることができます。アルゴリズムが位相を調整すると、干渉パターンと結果として生じるホログラムが変化し、研究者はビーズを動かすことができます。
このアルゴリズムは、さまざまな空間構成の音響ホログラムを作成できますが、Drinkwater 氏と彼のチームは、「ツイン トラップ」、「渦」、および「ボトル」の 3 つに焦点を当てました。ツイン トラップは、ピンセットのように対象物を挟み、対象物の回転と移動を可能にします。竜巻のような渦巻きの中心でビーズを回転させて閉じ込める渦は、ビーズを独自の軸で回転させます。最後に、ボトルが音の容器のようにビーズを閉じ込め、ビーズを安定させます。
ペンシルバニア州立大学ユニバーシティ パーク校の機械工学者 Tony Jun Huang 氏は、これが音響操作にスポットライトを当てることを望んでいると述べています。 「この分野で働いている人は多くなく、その重要性を認識している人も多くありません」と彼は言います。彼は将来、Drinkwater と彼の同僚が生物学者や医師と協力して、これまで探求することが不可能だったアプリケーションを実証することを望んでいます.
そして、それこそまさに、ブリストル大学の筆頭著者であり計算エンジニアであるドリンクウォーターとアシエ マルゾが次にやりたいことです。 「私の将来の主な目標は、生体内浮揚です」と Marzo は言います。超音波は体に比較的穏やかに浸透できるため、ソニック トラクター ビームを使用して、腎臓結石や血栓を除去したり、薬物を含んだカプセルを体のさまざまな部分に送達したり、顕微手術器具を制御したりできる可能性があります。 「これはもはや単なる理論上の話ではありません」と Marzo 氏は言います。 「今、私たちは片側浮揚を行うことができるという証拠を得ており、それは他の多くの研究への道を開いています.」
