音響ピンセットは物理的な摂食をせずにものを持ち上げることができる
音響ピンセットは物理的な摂食をせずにものを持ち上げることができる / Credit:Shota Kondo et al.,Japanese Journal of Applied Physics(2021)
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音波で物を持ち上げる「音響ピンセット」に新技術、反射しやすい台でも浮く

2021.07.26 Monday

Acoustic Tweezers Can Pick Objects Up With Sound Waves – Without Any Physical Contact(scitechdaily) https://scitechdaily.com/acoustic-tweezers-can-pick-objects-up-with-sound-waves-without-any-physical-contact/
Mid-air acoustic tweezers for non-contact pick up using multi-channel controlled ultrasonic transducer arrays https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/abfebd

音波を使って触ることなく物体を掴む音響ピンセットという技術があります。

この技術にはさまざまなバージョンがありますが、これまで半球型の装置は音波を反射しやすい台の上の物体はうまく掴むことができませんでした。

東京都立大の研究者は、目標となるポイントへの精密な音波制御によって、初めて半球型超音波アレイを使って反射面から小さなポリスチレンボールを安定して持ち上げることに成功したと報告しています。

この研究成果は、6月2日に科学雑誌『Japanese Journal of Applied Physics』で発表されています。

触らず物を持ち上げる「音響ピンセット」

物体に触れることなく自由に動かす。

それはまるで念力のように聞こえますが、波の干渉を利用して粒子を掴むという技術は以前から研究されています。

特に研究が進められているのは波を使った「光ピンセット」で、これはマイクロメートルサイズの非常に小さな粒子を掴むことができます。

2018年にノーベル物理学賞を受賞したアーサー・アシュキン氏は、この技術に関連する研究成果が認められたことが大きく貢献しています。

ただ、光を使った技術にはいろいろと制約があるのも事実です。

そこで、光の代わりに注目されているのが音波を使った「音響ピンセット」という技術です。

半球型に並べた超音波発振器で特定のポイントにある物質を掴む

Credit:SciTech Daily,Tweezers of Sound: Acoustic Manipulation off a Reflective Surface/Tokyo Metropolitan University

音波は光よりも幅広い物体や材料に適用でき、ミリメートルサイズの粒子まで掴むことができます。

子どもの頃、太鼓の上に発泡スチロールの小さなビーズなどを置いて太鼓を叩くと、ビーズが浮き上がるという理科実験をしたことがあると思います。

これは音波という見えない圧力の存在を、子どもに理解させるための実験ですが、音響ピンセットはこうした音の圧力をもっと精密に制御することで実現しています。

大量に並べられた超音波発振器
大量に並べられた超音波発振器 / Credit:Shota Kondo et al.,Japanese Journal of Applied Physics(2021)

しかし、こうした技術では、大量に並べられた超音波発振器をリアルタイムで正確に制御する必要があります。

特に音を反射してしまう表面に乗っている物体を持ち上げるということは非常に困難な試みでした。

新しい研究は、半球型に並べられた超音波トランスデューサを、個々に管理するのではなく、管理可能なブロックに分割して使用し、目的の位置に対して最適な音場を生成するとのこと。

この方法によって、今回の研究はこれまで困難だった音を反射しやすい剛性の台の上からでも、スチロールのポールを掴むことに成功したのです。

音を反射する台の上の物体を掴む音響ピンセット
音を反射する台の上の物体を掴む音響ピンセット / Credit:SciTech Daily,Tweezers of Sound: Acoustic Manipulation off a Reflective Surface/Tokyo Metropolitan University

まだ、粒子を捕獲して安定させるという技術には課題が多いといいますが、今回の研究成果はその大きな進歩に貢献するでしょう。

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