요약:
2008년 영화 '인크레더블 헐크'를 보신 분이라면 아마도 녹색 거인을 제압하기 위해 강력한 음파를 사용했던 음파 대포를 기억하실 것입니다. 이제 핀란드 헬싱키 대학의 과학자들은 스페인 나바라 공립 대학 및 미국 미시간 대학의 연구원들과 협력하여 이 아이디어에 현실적인 프로토타입을 제공했습니다. 즉, 공기 중 물질의 흐름을 물리적으로 제한하고 안내할 수 있는 초음파로 완전히 구성된 "파이프라인"입니다.
이 눈에 보이지 않는 질량 없는 파이프는 256개의 마이크로 스피커에서 방출되는 초음파에 의해 '구축'됩니다. 액체, 가스, 분말, 심지어 플라즈마까지 안내할 수 있어 이러한 물질이 허공에 떠서 천천히 앞으로 움직이는 것처럼 보이게 합니다. 전체 과정에서 소리가 들리지 않았습니다. 흐름 방향을 변경하기 위해 물리적 부분을 이동할 필요가 없습니다. 스피커 작동 방식을 조정하고 보이지 않는 파이프의 모양을 변경하기만 하면 됩니다.
“내가 본 모든 실험 장치 중에서 이것은 마법에 가장 가깝다고 할 수 있습니다.” 헬싱키 대학의 프로젝트 리더이자 전자공학 교수인 Ali Salmi는 다음과 같이 말했습니다.
이 아이디어의 유래는 연구팀의 이전 프로젝트에서 유래됐다. 초음파를 이용해 파이프 내벽에 부착된 물질을 청소한 것이다. 이 아이디어에 따라 그들은 파이프의 물리적 벽을 단순히 제거하여 물질이 부착될 곳이 없다면 문제가 뿌리부터 사라지지 않을까 하는 상상을 했습니다.
아이디어를 현실로 바꾸기 위해 연구원들은 다양한 스피커 레이아웃에 대해 여러 차례 시행착오를 거쳤습니다. 최종 프로토타입에는 원통형 구조 주위에 배열된 256개의 작은 초음파 변환기가 있으며 약 40kHz의 주파수로 음파를 방출합니다. 이러한 음파의 타이밍을 정밀하게 제어함으로써 교차할 때 음장을 형성하고 통과하는 물질에 힘을 가하고 이를 특정 경로로 제한합니다. 음장을 조정하면 물리적 파이프가 그대로 유지되는 동안 이 경로가 구부러지거나 방향이 바뀔 수 있습니다. 프로토타입 파이프는 길이가 8센티미터에 불과하고 약 50와트의 전력을 소비하는데, 이는 대략 구식 백열전구와 맞먹는 수준입니다.
이것은 아직 프로토타입에 불과하지만, 연구 결과에 따르면 소리만으로도 공기 중에서 다양한 형태의 물질을 지속적으로 안내하기에 충분하다는 것이 입증되었습니다. 대부분의 이전 음향 조작 시스템은 개별 입자나 액적만 공중에 띄우고 이동할 수 있었지만 새로운 시스템은 재료의 지속적인 흐름을 처리할 수 있습니다. 실험에서 연구원들은 흐르는 물을 성공적으로 유도하고, 분말을 다른 용기에 보내고, 미스트와 기류를 조작하고, 심지어 배출 경로를 제어했습니다.
적용 전망 측면에서 팀은 자재, 특히 기존 파이프라인을 부식시키거나 내벽에 쉽게 쌓이는 부식성 및 끈적끈적한 자재의 비접촉 운송을 구상하고 있습니다. 이 기술은 오염에 매우 민감한 민감한 물질을 처리하는 데에도 적합할 수 있습니다. 실시간으로 흐름 방향을 전자적으로 변경하는 기능은 재료를 원하는 위치에 정확하게 전달할 수 있는 새로운 가능성을 제공합니다.
그러나 프로토타입에서 실제 초음파 파이프라인까지는 아직 갈 길이 멀습니다. 명백한 한계는 크기와 비용의 차이입니다. 길이가 8cm에 불과한 "파이프"를 만들려면 256개의 스피커가 필요하며 하드웨어 오버헤드도 상당합니다. 연구원들은 유사한 모듈을 서로 연결하여 훨씬 더 긴 파이프라인을 만들 수 있다고 믿습니다.
또 다른 문제는 소리의 강도입니다. 연구원들에 따르면, 파이프 중앙의 초음파 강도는 누군가가 귀에 총을 계속 발사하는 것과 같습니다. 장치 외부에서도 음향 강도는 제트 엔진 옆에 서 있는 것과 비슷합니다. 다행히도 40킬로헤르츠는 인간이 들을 수 있는 정상적인 범위를 벗어납니다. 실제로 그 포효하는 소리는 전혀 들리지 않지만 근처에 개가 없는지 확인하는 것이 가장 좋습니다.
관련 연구 결과가 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐습니다.
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