اكتشاف يسلط الضوء على تحريك الأجسام بالموجات الصوتية

حقق الباحثون في مدرسة لوزان الاتحادية للعلوم التطبيقية (EPFL) اكتشافًا رائدًا. حيث نجحوا في تحريك الأجسام العائمة حول مسار عوائق مائية بالموجات الصوتية فقط. تحمل هذه الطريقة المبتكرة، المستوحاة من الملاقط البصرية، إمكانات هائلة للتطبيقات الطبية الحيوية. وأمضى الفريق، بقيادة رومان فلوري، رئيس مختبر هندسة الموجات، أربع سنوات في تطوير هذا النهج الجديد.

تم نشر هذه الطريقة غير التقليدية، بتمويل من برنامج سبارك التابع لمؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (SNSF)، في مجلة (Nature Physics) بالتعاون مع باحثين من جامعة بوردو في فرنسا، وجامعة نزارباييف في كازاخستان، وجامعة فيينا للتكنولوجيا في النمسا.

تحدي التلاعب بالجسيمات

لنقل أنك تحاول الإبحار بقارب صغير عبر بحر مزدحم ولا يمكن التنبؤ به. هذا تقريبًا هو التحدي الذي يواجهه العلماء الذين يحاولون التعامل مع الجسيمات، مثل الخلايا أو الكائنات الدقيقة، في بيئة ديناميكية. في العالم المجهري، يمكن اعتبار الجسيمات كأوعية صغيرة. والوسط المحيط بها، مثل الماء أو الهواء، كالبحر. ويكمن تعقيد هذه المهمة في حقيقة أن الجسيمات يمكنها التحرك والتفاعل مع محيطها بطرق غير متوقعة، مما يجعل من الصعب التحكم في حركتها.

إحدى طرق التفكير في حل هذا التحدي هي النظر في مفهوم “النقل” في الفيزياء. بعبارات بسيطة، يشير النقل إلى حركة الجزيئات أو الطاقة من مكان إلى آخر. ومع ذلك، عند التعامل مع الجسيمات الصغيرة، تصبح قوانين الفيزياء التي تحكم حركتها معقدة بشكل متزايد. على سبيل المثال، يمكن أن تتأثر حركة جسيم واحد بتفاعلاته مع الجسيمات المحيطة به، وتدفق الوسط.

في مجال المعالجة الدقيقة، طور العلماء تقنيات مختلفة للتحكم في حركة الجسيمات، مثل استخدام المجالات الكهرومغناطيسية، أو الموجات الصوتية، أو حتى الملاقط البصرية. ومع ذلك، كل من هذه الأساليب لها حدودها وعيوبها. على سبيل المثال، قد يكون من الصعب استخدام الملاقط البصرية، التي تستخدم الضوء المركز لاحتجاز الجزيئات، في البيئات الديناميكية أو عند التعامل مع جزيئات متعددة. وهنا يأتي دور النهج المبتكر المتمثل في استخدام الموجات الصوتية لتحريك الأشياء، مما يوفر حلاً واعدًا لتحدي التلاعب بالجسيمات.

الملاقط البصرية

كان الملقط البصري (optical tweezer)، وهي تقنية تستخدم لاحتجاز الجسيمات ومعالجتها باستخدام الضوء المركز، هو المحفز لتطوير تشكيل زخم الموجة (wave momentum shaping). ويوضح رومان فلوري، أن الملقط البصري يعمل عن طريق إنشاء “نقطة ساخنة” خفيفة لاحتجاز الجزيئات، على غرار سقوط الكرة في حفرة. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها حدود، خاصة عندما تكون هناك أشياء أخرى في المنطقة المجاورة، مما يجعل من الصعب إنشاء “الحفرة” وتحريكها.

ولادة تشكيل زخم الموجة

تخيل أنك في مباراة هوكي، حيث ينزلق القرص بسهولة عبر الجليد، مسترشدًا بالحركات الدقيقة لعصا الهوكي. وبالمثل، في المختبر، استخدم الباحثون الموجات الصوتية باعتبارها “عصا الهوكي” لدفع كرة بينج بونج تطفو على سطح خزان المياه. تم تتبع موضع الكرة بواسطة كاميرا علوية، بينما قام نظام مكبرات الصوت الموجود على طرفي الخزان بإصدار موجات صوتية مسموعة لتوجيه الكرة على طول مسار محدد مسبقًا.

هنا يحدث السحر، مجموعة ثانية من الميكروفونات “استمعت” إلى النتائج (feedback)، المعروفة باسم مصفوفة التشتت (scattering matrix)، عندما ارتدت الموجات الصوتية عن الكرة المتحركة. ومن خلال الجمع بين البيانات الموضعية للكاميرا ومصفوفة التشتت، تمكن الباحثون من حساب الزخم الأمثل للموجات الصوتية اللازمة لتوجيه الكرة على طول مسارها في الوقت الفعلي. وسمحت هذه النتائج بالتحكم الدقيق في حركة الكرة، مما مكن الفريق من التنقل بنجاح حول العوائق وحتى التحكم في دورانها.

الأمر اللافت للنظر في هذه التجربة هو أنها توضح القدرة على التحكم في حركة الأشياء في بيئة ديناميكية غير خاضعة للرقابة. ثم أخذ الباحثون خطوة أبعد من خلال إدخال عوائق ثابتة ومتحركة للنظام، ونجحوا في تحريك الكرة حولها. يُظهر هذا البحث تنوع ووعد تشكيل زخم الموجة في سيناريوهات العالم الحقيقي.

• دراسة ثورية توضح العلاقة بين النوم والذكريات طويلة المدى
• ما هو التصوير بالموجات فوق الصوتية وكيف يعمل؟
• ابتكار جهاز يمكنه التلاعب في الدوائر العصبية في الدماغ
• كيف يؤثر تصميم الصوتيات في المدارس على العملية التعليمية؟
• إعادة إنتاج صوت مومياء مصرية عمرها 3 آلاف عام!

تأثير الموجات الصوتية

هذا البحث يفتح آفاقًا جديدة حيث يمكن توصيل الدواء مباشرة إلى الخلية السرطانية، دون الإضرار بالخلايا السليمة في هذه العملية. أو تصور مستقبلًا حيث يمكن إجراء التحليل البيولوجي دون تلويث العينات أو إتلافها. وفي هندسة الأنسجة، يمكن استخدام الموجات الصوتية لترتيب الجزيئات المجهرية قبل وضعها في جسم ما، مما يفتح إمكانيات جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد يصبح هذا حقيقةً قريبًا، وذلك بفضل هذا الاكتشاف الرائد.

إن الطريقة الجديدة لتشكيل زخم الموجة له آثار بعيدة المدى، والباحثون متحمسون لقدرتها على إحداث ثورة في التطبيقات الطبية الحيوية. ومع استمرار الباحثين في استكشاف إمكانيات تشكيل زخم الموجة، فإن التطبيقات المحتملة واسعة النطاق. إن مستقبل تكنولوجيا الموجات الصوتية مشرق. وبفضل طبيعتها غير الضارة وغير الغازية، تستعد الموجات الصوتية لأن تغير قواعد اللعبة في عالم التطبيقات الطبية الحيوية. الاحتمالات لا حصر لها، والتأثير قد بدأ للتو في التحقق.

المصادر:

Moving objects precisely with sound / science daily