Аудиотехнология: как кусочки пластика перемещают с помощью ультразвука и зачем это нужно

Технология акустического пинцета известна с 1986 года. Она основана на явлении акустической левитации и использует ультразвуковые волны, чтобы поднимать в воздух объекты величиной в несколько миллиметров. До недавнего времени ученые могли манипулировать лишь одним пластиковым шариком. Сейчас появилась возможность левитировать сразу множество объектов и управлять их перемещением по отдельности. 

Кратко о том, что представляет собой технология

Исследователи из Наваррского народного университета в Испании и Бристольского университета в Великобритании создали установку в виде своеобразной «коробки», внутри которой сверху и снизу расположены массивы ультразвуковых излучателей. Всего в системе используют 512 динамиков диаметром менее сантиметра, излучающих волны на частоте 40 КГц.

С помощью специальных отражателей, инженеры могут формировать так называемые стоячие волны. Они имеют одинаковую амплитуду и частоту, но отличаются по фазе. Так, между звуковыми волнами образуются «пустые» участки одинакового размера с нулевым давлением звука, они и удерживают объекты в воздухе. Этими объектами могут быть как кусочки пластика, так и капли жидкости. Перемещение отдельных предметов независимо друг от друга происходит за счет изменения фазы стоячих волн. За это отвечает специальный алгоритм, основанный на методе обратного распространения ошибки. Авторы технологии сравнивают его с пальцами, которые захватывают и двигают предметы в пределах поля. Используя 512 динамиков, исследователи смогли управлять 12 пенопластовыми шариками.

Каков потенциал

По словам авторов, акустическая левитация («акустический пинцет») может заменить другую технологию — «оптический пинцет», за открытие которого в 2018 году присудили Нобелевскую премию по физике. Оптический пинцет использует для перемещения микроскопических объектов (молекул и частиц) лазерный луч.

Но у такого подхода есть недостаток — он дорогостоящий, плюс лазер может нанести вред клеткам или живым организмам при контакте. Акустический пинцет этих недостатков лишен. Поэтому его предлагают использовать в медицине и биологических исследованиях. Например, акустический пинцет поможет направлять молекулы лекарства в нужную область организма пациента или делать микрохирургические операции.

Ещё одно возможное применение — создание 3D-дисплеев и голограмм из вокселей, или трехмерных пикселей. Существующие решения для генерации 3D-проекций основаны на явлениях светоотражения, и поэтому такие голограммы видны только при определенном ракурсе. Ультразвук поможет формировать трехмерные изображения из материальных частиц, что не будет компрометировать углы обзора «экранов».

Также акустический пинцет предлагают использовать в производстве микроэлектроники. При помощи ультразвука можно перемещать мелкие частицы и автоматизировать создание приборов, которые до этого собирались только вручную.

Пока технология может работать лишь в воздушной среде, но в будущем авторы планируют оценить возможности акустического пинцета в жидкости.

Аналогичные разработки

Существует несколько других разработок, основанных на принципе акустической левитации. Первая из них — «жидкая печать», которую создали в Гарварде.

Изобретение представляет собой принтер со специальной насадкой, в которую встроен генератор стоячих волн. Звук формирует капли жидкости одинакового заданного размера и наносит их на подложку. Устройство предлагают использовать в фармацевтике, производстве оптических материалов и других областях, где важна точная дозировка вещества.

Еще один проект представили инженеры из Национального автономного университета Мексики. Их установка использует акустическую левитацию совместно с лазерно-искровой эмиссионной спектрометрией для обнаружения тяжелых металлов в воде.

Исследуемое вещество облучают лазером и переводят в состояние плазмы. Измеряя спектральное излучение плазмы можно определить концентрацию отдельных элементов в ней. В университете Мексики использовали акустическую левитацию для удержания капли воды в одном положении. Это дает возможность получить более точные и качественные результаты анализа.

Также решение разработчиков позволило проводить исследования за пределами оборудованной лаборатории с помощью переносных спектрометров. Это поможет с изучением состава воды в регионах с плохой экологической ситуацией, потому что анализы можно будет проводить чаще.

Третье решение от немецких учёных использует акустическую левитацию для создания ультразвукового поля определённой формы. Это позволяет выстраивать физические частицы в желаемом порядке. Ожидается, что система найдет применение в медицине — поможет улучшить лечение ультразвуком, например более эффективно восстанавливать поврежденные мышцы за счёт направленного действия поля.

В целом потенциал акустической левитации обширен. Её можно использовать как на производстве, например для перемещения горячих предметов, так и в медицине — для проведения точных операций. В ближайшее время можно ожидать, что будут предложены новые способы применения технологии.