Это не ховерборд Mattel. Но устройство, созданное командой из Испании и Великобритании, может поднимать и манипулировать небольшими объектами в воздухе и, возможно, в воде и тканях человека, используя высокочастотные звуковые волны. Эта технология является перспективной во многих областях, от медицины до освоения космоса.
Связанный контент
- Подъемный поезд в Японии побил рекорд скорости в Японии
Ученые уже знали, что звуковые волны создают колеблющиеся карманы сжатого воздуха, которые могут создавать силу на объекте, способном противодействовать притяжению гравитации. Но в то время как ультразвуковые устройства левитации существуют, они все опираются на стоячие волны, которые создаются, когда две звуковые волны одинаковой частоты излучаются в противоположных направлениях и накладываются друг на друга. Это означает, что все предыдущие устройства требуют два набора преобразователей.
«Всем предыдущим левитаторам приходилось окружать частицу акустическими элементами, что было громоздким для каких-то манипуляций», - говорит руководитель исследования Асиер Марзо из Государственного университета Наварры в Испании. «Однако наша техника требует только звуковых волн с одной стороны. Это как лазер - вы можете поднимать частицы, но одним лучом ».
Для разработки своей технологии Марзо и его коллеги черпали вдохновение из визуальных голограмм, в которых световое поле проецируется с плоской поверхности, создавая серию «интерференционных картин», которые формируют трехмерное изображение. Звуковые волны также способны создавать интерференционные картины, поэтому можно применять тот же принцип.
«По сути, мы скопировали принцип световых голограмм для создания этих акустических голограмм», - говорит Марзо, чья команда описывает свою работу на этой неделе в Nature Communications .
Марзо и его команда расположили 64 маленьких 16-вольтовых преобразователя в виде сетки. Каждый датчик был откалиброван для излучения звуковых волн с частотой 40000 Гц, частота, которая намного превышает максимальную чувствительность человеческого уха (20000 Гц), но слышна для других животных, таких как собаки, кошки и летучие мыши.
Хотя частота и мощность каждого преобразователя были идентичны, ученые разработали алгоритм, который изменял относительные пики и впадины каждой волны для генерации интерференционных картин и создания акустических объектов.
Проблема заключалась в том, что эти акустические объекты были не слышны и невидимы для людей, поэтому команде пришлось разработать различные симуляции, чтобы «увидеть» звук. В подходе, которым мог гордиться любой синестет, Марзо использовал микрофон для выборки ультразвуковых волн, излучаемых преобразователями, а затем передавал данные через 3D-принтер, который они использовали для создания цифровых визуализаций слуховых объектов.
После тестирования различных акустических форм исследовательская группа обнаружила три наиболее эффективных: двойную ловушку, напоминающую пинцет; вихревая ловушка, аналогичная торнадо, который подвешивает вращающийся объект в его центре; и ловушка для бутылки, которая левитирует объект в пустом пространстве внутри бутылки.
Хотя в текущем эксперименте были сняты только маленькие шарики из пенопласта, Марзо считает, что эту технологию можно масштабировать для различных объектов, манипулируя частотой звуковых волн, которая определяет размер акустических объектов, а также общую мощность системы, которая позволяет левитация более легких или более тяжелых предметов на большие расстояния.
«Левитация частиц односторонними преобразователями является удивительным результатом, который открывает новые возможности для технологии акустической левитации», - говорит Марко Аурелио Бриззотти Андраде, доцент кафедры физики в университете Сан-Паулу, который ранее работал над звуковой левитацией.,
«Одно из применений уменьшения - это манипуляции in vivo, то есть левитация и манипулирование частицами внутри тела», - говорит Марзо. «И эти частицы могут быть почечными камнями, сгустками, опухолями и даже капсулами для целевой доставки лекарств». Ультразвуковая левитация не влияет на магнитно-резонансную томографию, поэтому врачи могут мгновенно отображать действие во время манипуляций in vivo .
И когда дело доходит до этих микроманипуляций в теле человека, технология одностороннего луча имеет огромное преимущество перед технологией двухсторонней стоячей волны. Для начала, левитационные устройства, основанные на стоячих волнах, могут случайно уловить больше частиц, чем намеченные цели. «Однако, с односторонними левитаторами, и есть только одна точка захвата», говорит он.
Марзо отмечает, однако, что ультразвук ограничен в своей способности поднимать большие объекты: «Чтобы подобрать объект размером с пляжный мяч, потребуется 1000 Гц. Но это входит в слышимый диапазон, который может быть раздражающим или даже опасным для человеческого уха ».
Эта технология также имеет несколько многообещающих применений в космическом пространстве, где она может подвешивать более крупные объекты в условиях низкой гравитации и предотвращать их дрейфование вокруг без контроля. Но Марзо опровергает любые представления о тракторном луче, похожем на « Звездный путь», способном манипулировать людьми на Земле.
При нормальной гравитации «сила, необходимая для подъема человека, вероятно, была бы смертельной», - говорит Марзо. «Если вы приложите слишком много энергии ультразвука к жидкости, вы создадите микропузырьки». Другими словами, слишком сильная звуковая мощность может заставить вашу кровь вскипеть.
В будущих исследованиях Марзо надеется сотрудничать со специалистами по ультразвуку, чтобы усовершенствовать технологию для медицинских применений и еще больше расширить подход к объектам разных размеров.
«Это хорошая вещь в звуке, - говорит он. - У вас есть широкий диапазон частот, которые вы можете использовать для различных приложений».
