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メインコンテンツにスキップ グローバルメニューにスキップ | フッターにスキップ メニューボタン 対象者別 ">入学希望の方">卒業生の方">地域・一般の方">企業・メディアの方">在学生">教職員 探す アクセス Language JP EN TOPニュース・イベント【研究発表】完全非接触で微小物体を拾い上げる空中音響ピンセットを開発https://www.tmu.ac.jp/news/topics/34925.html 2022.08.19 【研究発表】完全非接触で微小物体を拾い上げる空中音響ピンセットを開発 報道発表 １.概要 　音波が異なる媒質間を伝搬するとき、 ある条件下では直流的な力を観測することができます。この力は音響放射力と呼ばれ、古くから研究がされてきた物理現象です。この現象の重要な特徴の一つとして、音響放射力を利用することで、非接触で物体に力を与えられることが挙げられます。 　さらにこの音響放射力を応用し、物体を空中に浮遊させる音響浮揚と呼ばれる技術が知られています。非常に強力な超音波を用いることにより、音響放射力を制御することで微小物体の浮遊や非接触輸送などが可能となります。 　東京都立大学大学院 システムデザイン研究科の近藤昇太大学院生（当時）、大久保寛准教授は、半球型の超音波トランスデューサアレイと適応的な位相振幅制御技術を巧みに組み合わせることで、音波を利用して完全非接触で空間にある微小物体を選択的に拾い上げる「空中音響ピンセット」なる新しいガジェットを開発しました。 　関連する紹介動画を、都立大Channel（https://youtu.be/PoZsKjst82g）に掲載しています。 　本研究成果は、６月20日付けで、応用物理学会が発行する『Japanese Journal of Applied Physics (JJAP)』上で発表されました。本研究の一部は、村田学術振興財団の助成を受けて行われました。   ２.ポイント 　本研究のポイントは、完全非接触で物体をピックアップできることにあります。これまでも、過去の研究において、音を利用して微小物体を非接触で移動させる技術は報告されていました。しかし、実用上大きな問題となるのが、反射音の影響でした。トランスデューサアレイを用いて物体を操作する際に反射音によって音場が乱された場合、物体に力が正しく働かず、意図した操作ができなくなってしまうことがあります。そのため、従来技術では対象である微小物体に対して金属製ピンセット等を使用しトランスデューサアレイの近くまで持っていき、接触動作によって微小物体を音響的トラップにセットする必要がありました。つまり、音響浮揚自体は非接触操作であるにも関わらず、全体としては初動に接触操作が含まれるフレームワークでした。対向させたトランスデューサアレイによって、物体をそのまま浮遊させる技術も存在しますが、この方式ではターゲットを選択的にトラップすることは原理的にできません。 従来技術：微小物体に対して金属製ピンセット等を使って物体を音響的トラップにセットする様子 　本研究では、半球型トランスデューサアレイをマルチチャンネル化し、逆フィルタによる最適化を用いて適応的な位相振幅制御を行うことで、ステージ上にある物体を安定的に完全非接触で拾い上げることを試みました。結果として、半球型の超音波トランスデューサアレイと適応的な位相振幅制御技術を巧みに組み合わせることで、音波を利用して完全非接触で空間にある微小物体を選択的に拾い上げる装置「空中音響ピンセット」の開発に成功しました。 提案技術：適応的な位相振幅制御でステージ上にある物体を完全非接触で拾い上げる様子 ３.研究の背景 　音響放射力を利用することで、非接触で空間に物体を保持することが可能となることはよく知られた現象です。音響浮揚の一例として、定在波を用いて微小物体を浮遊させている様子を図１に示します。微小物体は、定在波による音圧の腹の位置から節の位置に力を受けます。図１では対向させた超音波センサアレイから周波数40[kHz] (波長λ≒8.5[mm]) の超音波を送信し定在波を発生させ、微小物体を浮遊させています。図中では、定在波による音圧の節の位置に微小物体が捕捉されるため、λ/2≒4.25[mm] の間隔で空間にトラップされていることになります。 　図１：対向させた超音波センサアレイで発生した定在波による音響トラップ 　また、半球状アレイと反射を利用することでも定在波を発生させることができ、図２のようにステージ上に音響トラップを作り、微小物体を補足することができます。 図２：反射を利用した定在波による音響トラップ 　一方、本研究では、半球型トランスデューサアレイと位相振幅制御により、半球の軸上に図３のように集中的な音響トラップを作り、これをベースに「空中音響ピンセット」へ発展させました。 図３：位相振幅制御による軸上の音響トラップ   ４.研究の詳細 　「空中音響ピンセット」の研究は、多数のトランスデューサを用いた半球型アレイと位相制御の研究としてスタートしました（Yamamoto and Okubo, IEEE IUS 2018）。研究の初期では、物体を置くステージを工夫することで完全非接触のピックアップ技術を開発しました（Yamamoto and Okubo, IEEE IUS 2019）。その後、半球型トランスデューサアレイをマルチチャンネル化し位相振幅制御を組み合わせ、反射するステージから物理的な接触なしに物体を持ち上げることを報告しました（Kondo and Okubo, JJAP 2021）。図４に、位相振幅制御を用いた軸上のトラップ操作の様子を示します。 図４：位相振幅制御を用いた軸上のトラップ操作の様子 　しかし、ピックアップは成功したものの再現性と安定性に課題がありました。そこで、さらに適応的なアルゴリズムを用いてピンセットの制御方法を調整することで、微小物体を安定して持ち上げることができるようになり、飛躍的に性能が改善されました。 　半球型トランスデューサアレイの駆動方法として、図５のように半球状のアレイの対向する半分を同位相で駆動する方法と逆位相で駆動させる方法を巧みに組み合わせます。具体的には、ステージと音響トラップ位置の距離によって適応的に形成する音場を修正します。 図５：駆動方法を切り替えて音場を適応的に形成する様子   ５.研究の意義と波及効果 　研究チームの新しい知見は、空間に反射音があったとしても適切にトランスデューサアレイの位相振幅と励起モードを制御することで、安定性のある空中音響ピンセットを開発しました。 　物体に触れることなく動かすことができるというと、まるでマジックのように感じるかもしれませんが、生物学や化学の世界では、昔から光トラッピングと呼ばれる技術によって、光を使って微小な物体を動かしてきました。実際、この光トラッピングを用いた光ピンセットに対して2018年のノーベル物理学賞は与えられています。本研究の空中音響ピンセットは、光ピンセットの音響版ともいえる技術です。 　開発した空中音響ピンセットは、図６のように完全なる非接触で微小物体を選択的にピックアップすることができます。これは、物理的接触のない状態を厳密に保つ必要がある試料の操作や、無重力の空間を含む様々な環境下での微小物体操作など未来型技術への応用が期待されます。 図６：非接触で微小物体を選択的にピックアップする様子   【発表論文】 ＜タイトル＞“Improved mid-air acoustic tweezers using adaptive phase and amplitude control” ＜著者名＞Shota Kondo and Kan Okubo ＜雑誌名＞Jpn. J. Appl. Phys （2022） ＜DOI＞10.35848/1347-4065/ac51c4   6.問合せ先 ＜研究に関すること＞東京都立大学大学院 システムデザイン研究科　准教授 大久保寛TEL：042-585-8637　　E-mail: &＃107;&＃x61;&＃x6e;&＃x6e;&＃101;&＃64;&＃x74;m&＃x75;.&＃x61;&＃99;&＃x2e;&＃106;&＃112;HP：https://www.comp.sd.tmu.ac.jp/klolab/home/index.html   ＜大学に関すること＞東京都公立大学法人東京都立大学管理部 企画広報課 広報係TEL：042-677-1806　　E-mail：&＃105;&＃110;f&＃x6f;@&＃106;m&＃x6a;&＃46;&＃116;&＃x6d;&＃x75;&＃x2e;&＃x61;&＃x63;.&＃106;p   報道発表資料(1.3MB) ーーーーーーー システムデザイン研究科 大久保 寛 准教授   元のページに戻る 最新のニュース 2024.05.29 お知らせ 【重要】2024年度前期　一般学生　授業料減免申請 追加申請受付について 2024.05.24 お知らせ 【研究発表】一度の激しい運動がその後の身体活動量と体温を下げ体重を増やしてしまう 2024.05.17 お知らせ 【研究発表】溶液と固体の状態で円偏光を発光するキラルな亜鉛錯体の開発に成功－溶液と個体とで円偏光の回転方向が反転　新たな発光デバイスへの応用に期待－ 2024.05.16 お知らせ 【研究発表】過去77年間の小笠原諸島の植生変化を解明 －過去の人為的攪乱の履歴が、生態系の復元可能性に影響－ 2024.05.13 お知らせ 【研究発表】電気を流し、室温強磁性を示す希土類酸化物を発見－スピントロニクス材料としての応用に期待－ Page top 大学について学部・大学院教育の特長研究・産学公連携国際展開・留学学生生活・キャリア入試案内キャンパス・施設案内ニュース・イベントHOT TOPICS教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生教職員 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 ©2024 Tokyo Metropolitan Public University Corporation Follow Us都立大X都立大Channel Open/Close大学についてOpen/Close大学の目的・使命学長メッセージ学長メッセージ ＜メディア＞TMU Vision 2030Open/Close大学概要沿革組織図センター・機構学生数教職員数学則・規則施設概要設置認可申請書等東京都立大学の評価活動について数字で見る東京都立大学動画で見る東京都立大学シンボルマーク大学の校歌Open/Close教育情報の公表大学の教育研究上の目的・３ポリシー教育の3つのポリシー（学部）教育の3つのポリシー（大学院）教育研究上の基本組織アセスメント・ポリシー大学院（専門職大学院を除く）の学位論文審査基準授業に関すること成績評価基準、卒業・修了認定基準等メディア掲載Open/Close学部・大学院人文社会学部法学部経済経営学部理学部都市環境学部システムデザイン学部健康福祉学部Open/Close大学院 研究科・専攻一覧人文科学研究科法学政治学研究科経営学研究科理学研究科都市環境科学研究科システムデザイン研究科人間健康科学研究科大学院分野横断プログラム再編前の学部・大学院Open/Close教育の特長Open/Close革新的なカリキュラム基礎科目群教養科目群基盤科目群キャリア教育・インターンシッププログラム文理の枠を超えた履修推奨科目副専攻グローバル教育教職課程・学芸員養成課程文理教養プログラム学びのスタイル副専攻教職課程・学芸員養成課程教育基盤強化事業Open/Close教育改革推進事業首都大学東京 教育改革推進事業 FD活動都立大の教学IR ~Institutional Research~ベスト・ティーチング・アワードOpen/Close研究・産学公連携Open/Close研究センター、リサーチコア宇宙理学研究センター生命情報研究センター水道システム研究センター子ども・若者貧困研究センターソーシャルビッグデータ研究センター金融工学研究センター水素エネルギー社会構築推進研究センター医工連携研究センター量子物質理工学研究センターエネルギーインテグリティーシステム研究センター島嶼火山・都市災害研究センターコミュニティ･セントリック･システム研究センター言語の脳遺伝学リサーチコアサービスロボットインキュベーションハブリサーチコア（略称：serBOTinQ)高度研究東京都立大学 若手研究者等選抜型研究支援特別栄誉教授等制度・特別招聘教授制度共同研究・受託研究・学術相談・特定研究寄附金知的財産大学等発ベンチャー支援産学公連携スペース TMU Innovation Hub研究力強化推進プロジェクトローカル5G環境を活用した最先端研究都立大の先端研究に迫る傾斜的研究費一覧Open/Closeコンプライアンス・内部統制研究費の不正使用防止に対する取組（相談窓口・通報窓口の案内はこちら）研究活動の不正行為等防止に対する取組（通報窓口の案内はこちら）研究倫理利益相反マネージメント安全保障輸出管理Open/Close国際展開・留学多彩な留学制度／留学プログラムグローバル人材育成についてGlobal Discussion Camp（GDC）国連アカデミック・インパクト外国人留学生支援Open/Close国際交流協定協定校一覧（全学）(250KB)協定校一覧（部局間）(346KB)国際化基本方針国際化推進体制理学部生命科学科　英語課程 英語で学位が取得できるプログラムPickup！都立大の国際化 「東京都立大学ならではの体験ができる交換留学制度――異文化を肌で感じた記憶はその後の人生を変える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事Open/Close学生生活・キャリアOpen/Close学修サポート学生の修学支援主体的学修支援セミナーTA（ティーチングアシスタント）等Open/Close学生サポート学生相談室保健室ダイバーシティ推進室ボランティアセンター保険の加入学生課Open/Close施設の利用図書館連絡バス美術館の無料入場等学生寮などOpen/Closeキャンパスライフ学生広報チームpresents動画クラブ＆サークルFIND YOURSELF AT TMU(2.2MB)都立大生の1日VLOG！理系・文系の学生比べてみたBy朝日新聞YouTubeチャンネル【土佐兄弟の大学ドコイク】Open/Closeキャリア・就職キャリア支援・各種サポートキャリア支援課大学院進学Pickup！キャリア支援 「1年次から履修可能な現場体験型のキャリア授業で、未来の自分を考える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事学費・減免制度・奨学金制度等Open/Close入試案内Open/Close学部入試アドミッション・ポリシー学部入試概要【2024年5月24日更新】外部英語検定試験の利用について（2025年度以降一般選抜）インターネット出願入学者選抜要項・学生募集要項入試Q&A一般選抜の入試結果【2024年5月27日更新】(133KB)多様な選抜の入試結果【2024年4月26日更新】(146KB)募集人員【2023年7月7日更新】(313KB)オープンキャンパス・説明会資料請求・お問い合わせ入学考査料・入学料・授業料Open/Close学部入試制度改正2024年度2025年度2026年度Open/Close大学院入試大学院のシステムアドミッションポリシー大学院入試概要大学院学生募集要項大学院進学後の進路状況入学考査料・入学料・授業料資料請求・お問い合わせ大学案内・大学院案内Open/Closeキャンパス・施設案内キャンパスマップCampus Gallery図書館光の塔牧野標本館交通アクセスエコキャンパス・グリーンキャンパス電力使用状況イベントカレンダー教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 JP EN Follow Us都立大X都立大Channel