Как заинтересоваться физикой, разглядывая футбольный мяч

Я заинтересовался наукой и исследованиями примерно в восемь лет. В то время я начал больше наблюдать за природой и искать регулярные или периодические закономерности в окружающей действительности. Так началась история знакомства с физикой. Например, мне нравилось смотреть, как растет трава, и искать в цветах некоторую симметрию. А еще я открыл для себя существование числа Пи.

Это произошло, когда я наблюдал за футбольным мячом — он был идеально круглым. Затем в какой-то момент я обнаружил, что мяч и планеты похожи — они были такими же. Меня заинтересовал этот вопрос. Ответ я нашел в астрономической энциклопедии, которую подарили родители. Из книги я узнал, что у планет есть диаметр и радиус, и тогда я почувствовал между ними взаимосвязь. Ею и оказалось число Пи. Затем я осознал, что связь между диаметром и радиусом существует не только у планет, но и у футбольного мяча. Поэтому я провел эксперимент — измерил диаметр и длину окружности мяча. Соотношение примерно равнялось трем, это было очень близко к числу Пи. Думаю, это был первый раз, когда я занялся чем-то похожим на физику — измерял, наблюдал, выдвинул гипотезу и, наконец, проверил ее.

Чтобы лучше познать окружающий мир, я решил стать физиком и позже поступил на физический факультет в Севильский университет в Испании.

Через конференции к сотрудничеству

Во время учебы я присоединился к работе над грантом, который был связан с изучением метаматериалов. На тот момент, а это был 2000 год, метаматериалы были очень актуальной темой. Ученые искали новые идеи об идеальной фокусировке электромагнитных волн, и я занимался похожими вопросами в группе микроволновых технологий Севильского университета под руководством моего профессора Рикардо Маркеса Сильеро. В целом мне была интересна тема метаматериалов, но я предпочел заняться конкретно электромагнетизмом, его распространением, а также антеннами. Это и стало моей основной специализацией, которой я посвятил уже много лет.

К 2006 году, когда я получил PhD в области физики, у меня накопилось порядка 48 опубликованных статей в научных журналах. Часть работ была посвящена теории, часть — экспериментам, но почти всегда я писал о периодических структурах в электромагнетике.

С результатами исследований я выступал на разных международных конференциях. В 2008 году главный научный сотрудник физического факультета ИТМО Павел Белов пригласил меня в Санкт-Петербург на международную конференцию «Дни дифракции». В то время мы еще не сотрудничали, просто были знакомы. Вероятно, выступление на конференции дало старт нашему сотрудничеству с ИТМО.

Позже в 2012 году я приехал в Петербург на другую конференцию по метаматериалам. Уже в 2014 году мы начали сотрудничать с группой Павла Белова, а в 2015 году опубликовали первую статью. Она была о самодополняющих структурах и метаповерхностях. Я больше отвечал за теоретическую часть исследования, а ученые ИТМО помогли провести эксперименты. Это укрепило наше сотрудничество, которое продолжается непрерывно с 2014 года по сегодняшний день.

Как заряжать кардиовертер-дефибриллятор прямо в человеке

С ИТМО я сотрудничал в нескольких проектах, в которых мы разрабатывали несколько различных типов метаповерхности. Некоторые из них предназначались для преломления, другие — для фокусировки, третьи — для поглощения электромагнитных волн. В какой-то момент коллеги с физического факультета ИТМО под руководством Станислава Глыбовского, Полины Капитановой и Михаила Петрова выиграли мегагрант «Волновые процессы в медицинских системах» и пригласили меня в нем поучаствовать. Это стало еще одним большим шагом в нашем сотрудничестве.

Цель мегагранта — разработать систему беспроводной зарядки медицинских имплантатов. Особенно актуальна наша разработка для кардиовертера-дефибриллятора. Это устройство, которое устраняет угрожающие жизни человека аритмии и предотвращает остановку сердца. Дело в том, что кардиовертер-дефибриллятор работает за счет батареи. А когда батарея истощается, человеку проводят операцию, вытаскивают неработающий дефибриллятор и меняют его на новый. Но что, если появится возможность заряжать устройство, не вынимая его из тела человека?

Однако перед проектированием такой системы нужно ответить на множество вопросов, один из которых — как доставить электромагнитные волны, необходимые для зарядки кардиовертера-дефибриллятора, прямо в тело? Дело в том, что организм человека содержит большое количество воды, которая поглощает электромагнитные волны. В результате волна проникает в тело человека всего на несколько сантиметров — этого не хватает, чтобы достичь имплантата на должном уровне.

Представьте, что вы хотите осуществить беспроводную передачу энергии в пространстве, где нет каких-либо препятствий вроде биологических тканей. С двумя катушками сделать это относительно легко. Одна катушка с током взаимодействует с другой, если та находится недалеко. Это явление называется индукцией. Но если поместить между ними какую-нибудь биологическую ткань, связь катушек станет намного хуже.

Чтобы решить эту проблему, можно преобразовать электромагнитную волну в акустическую. Она способна пройти сквозь биологическую ткань и достичь второй катушки — кардиовертера-дефибриллятора. Для изменения вида энергии нужно создать металинзу. Это плоская линза, на поверхности которой расположен массив вертикальных наноантенн, сделанных из метаматериалов. Металинзы фокусируют электромагнитную волну и преобразуют ее в давление, которое вызывает акустическую волну. Затем акустическая волна распространяется по организму человека, достигает имплантируемое устройств, но не может его зарядить. Поэтому затем нужно преобразовать акустическую волну обратно в электромагнитную, которая и зарядит кардиовертер-дефибриллятор.

В итоге получается, что система беспроводной зарядки должна состоять из нескольких частей. Первая — нательное устройство, которые собирает энергию радиочастотных сигналов из окружающего пространства и преобразует ее в ультразвуковые волны. Вторая — нательный акустический передатчик вместе с системой сбора энергии и фокусирующей металинзой. И, наконец, третья — имплантируемое устройство, которое включает в себя акустический приемник.

Прочитайте также:

В ИТМО разработали новое поколение беспроводных зарядок. Как это работает и почему может изменить наши привычки?

ИТМО и компания «Яблочков» разработали первую в России систему беспроводной зарядки для электротранспорта

«Математика — это непросто»

Работа над мегагрантом делится на четыре этапа. Сначала мы разработаем теоретические методы и инструменты, которые помогут описать, как электромагнитные и акустические поля взаимодействуют с тканями тела и какие могут быть ограничения. Второй этап гранта посвящен применению радиочастот для МРТ и конструированию реальных нательных антенн и металинзы. Затем мы изучим взаимодействие акустических волн и биомедицинских устройств и, наконец, соберем систему воедино.

В рамках мегагранта я работаю в нескольких направлениях, они больше посвящены теоретической части исследования. Первое направление связано с разработкой численных методов проектирования метаматериалов для металинзы, которая поможет сфокусировать электромагнитную энергию. Второе — это согласование импедансов с помощью метаматериалов, чтобы уменьшить отражение электромагнитной волны во время попадания в тело человека.

В основном я работаю с численным моделированием и множеством формул. Ведь перед тем, как проводить эксперимент, нужно сначала подтвердить все расчеты, а затем смоделировать конструкцию, максимально похожую на реальную. Поэтому все трудности, с которыми сталкиваюсь во время работы, связаны с математикой. Математика — это непросто, прямо как в школе. Но хороший способ справиться с трудностями — обсудить их с коллегами. Может быть, они не разбираются в вопросе так же хорошо, как и я, но они могут подсказать, как посмотреть на задачу с другой стороны.

Другой способ — просто провести численное моделирование, которое, может быть, покажет, почему что-то не работает. Например, последний раз я потратил две недели, чтобы найти маленькую ошибку в расчетах. Но без решения этой проблемы я бы не смог дальше продвинуться в исследованиях.

Какие исследования в тренде

Разработка беспроводной передачи энергии по-прежнему остается одной из трендовых тем в науке. В частности, ученые работают над созданием миниатюрных плоских устройств ― например линз, которые помогут контролировать поляризацию, фокусировать, преломлять — в целом распространять электромагнитные волны. Если сделать линзы миниатюрными, в них исчезнет объем, а он помогает фокусировать и управлять электромагнитными волнами. Решить эту проблему можно, если создать линзу с помощью метаповерхности. Тогда само устройство останется миниатюрным и плоским, а метаповерхность будет контролировать состояние поляризации.

Металинзы пригодятся не только для беспроводной передачи энергии разным имплантируемым устройствам. Потенциально они смогут улучшить сигнал сотовой связи. Смартфону нужно поймать электромагнитные волны, исходящие от антенн снаружи вашего дома, чтобы получить сигнал. Но в этом ему мешают толстые стены здания — они поглощают или отражают часть электромагнитной волны. Но что, если сделать прозрачную метаповерхность, которая будет принимать волну, преломлять ее под нужным углом и при этом быть незаметной для пользователя? Такую метаповерхность можно прикрепить на окно — оно тонкое и прозрачное, поэтому сможет пропустить электромагнитную волну сквозь себя. А она в свою очередь достигнет смартфона и улучшит сигнал связи.