중국 과학자들, 표면에 새긴 파동으로 물체 이동

모래알을 집어 천천히 원을 그리게 하고, 그다음 수백 배 더 큰 가벼운 플라스틱 조각에도 같은 일을 할 수 있는 탁자를 상상해 보라. 기계 팔이 어느 것에도 닿지 않은 채로. 중국과학원 음향연구소의 팀이 그 아이디어에 한 걸음 더 다가섰으며, 매우 다양한 크기 규모에서 표면 위의 물체를 조작하는 방법을 보고했다.

국영 과학 신문인 과학기술일보가 보도한 이 연구는 연구자들이 소용돌이파라고 부르는 것에 초점을 맞춘다. 이는 파면이 나선형으로 꼬여 물리학자들이 궤도 각운동량이라고 부르는 것을 운반하는 파동이다. 욕조 물이 빠져나갈 때의 소용돌이를 생각해 보라. 회전하는 흐름은 떠 있는 물체를 원을 그리며 밀어낼 수 있다. 음향 버전에서는 소리로 구동되는 파동이 같은 역할을 하여 표면 위에 있는 무엇이든 운동량을 전달한다.

혁신은 연구자들이 그 소용돌이를 어떻게 만드는지에 있다. 실시간으로 파동을 형성하기 위한 복잡한 방출기 배열을 구축하는 대신, 필요한 위상 정보를 얇은 판의 구조에 직접 인코딩한다. 그러면 판 자체가 기계가 된다. 구동되면 판 위에 놓인 물체를 포집하고 추진하는 데 필요한 비틀림 운동을 생성한다.

이 단순함이 중요하다. 복잡한 위상 배열은 비싸고 전력 소모가 크며 축소하기 어렵다. 패턴이 새겨진 판은 얇고 평평하며 비교적 저렴하게 만들 수 있어, 작은 물건을 조용히 옮기거나 회전시키거나 조립하는 표면으로 가는 문을 연다. 팀은 서브밀리미터 입자부터 센티미터 규모의 가벼운 구조물까지 판 위에서 포집되어 원을 그리며 이동하게 할 수 있다고 보고한다.

음향 조작은 실험실에서 이미 익숙하다. 집속 음장은 오랫동안 액적을 부양시키고 세포를 제자리에 밀어 넣는 데 사용되어 왔다. 그 작업의 대부분은 액체로 채워진 챔버에서 이루어진다. 건조한 표면에서 넓은 크기 범위에 걸쳐 하는 것은 더 어려운 문제이며 명백한 실용적 매력이 있다.

가능한 용도는 정밀 제조와 마이크로 로보틱스를 위한 희망 목록처럼 읽힌다. 작은 전자 부품 배치, 섬세한 분말 분류, 오염 없이 생물학적 시료 이동, 또는 평평한 무대 위를 기어 다니고 회전하는 소형 기계에 동력 공급 등이다. 힘이 그리퍼가 아니라 파동에서 오기 때문에, 깨지기 쉬운 물품은 접촉 도구가 때때로 일으키는 긁힘과 압착 없이 다룰 수 있다.

이 연구는 음향학, 광학, 역학에 걸친 파동장 조작이라는 더 넓은 우산 아래에 속한다. 단일 세포를 붙잡는 광학 집게를 가능하게 한 동일한 물리학, 즉 2018년 노벨상을 수상한 업적에는 더 큰 물체에 작용하는 음향 사촌이 있다. 중국 팀의 기여는 필요한 파동 구조를 생성하는 컴팩트하고 확장 가능한 방법이다.

이 연구는 아직 실험실 단계에 있으며, 패턴이 새겨진 판을 실용적인 산업 도구로 확장하는 것은 열, 효율성, 그리고 많은 물체를 동시에 제어해야 할 필요 등 그 자체의 도전을 가져올 것이다. 그러나 방향은 분명하다. 팔을 만드는 대신 파동을 형성하여 물건을 움직이는 표면은 언젠가 공장, 실험실, 의료 기기 안에 조용히 자리 잡고, 움직이는 부품 없이 정밀한 작업을 수행할지도 모른다.