Det er ingen Mattel hoverboard. Men en enhet bygget av et team i Spania og Storbritannia kan levitere og manipulere små gjenstander i luft, og muligens i vann og menneskelig vev, ved hjelp av høyfrekvente lydbølger. Teknologien gir løfte på en rekke felt som spenner fra medisin til romutforskning.
Relatert innhold
- Levitating Train Breaks Speed Record i Japan
Forskere visste allerede at lydbølger skaper svingende lommer med trykkluft, som kan produsere en kraft på et objekt som er i stand til å motvirke tyngdekraften. Men mens ultralyd-levitasjonsenheter eksisterer, er de alle avhengige av stående bølger, som skapes når to lydbølger med samme frekvens sendes ut fra motsatte retninger og legges over hverandre. Det betyr at alle tidligere enheter krever to sett svinger.
"Alle tidligere levitatorer måtte omgi partikkelen med akustiske elementer, noe som var tungvint for en slags manipulasjon, " sier studieleder Asier Marzo ved Public University of Navarre i Spania. “Teknikken vår krever imidlertid bare lydbølger fra den ene siden. Det er som en laser - du kan levitere partikler, men med en enkelt stråle. ”
For å utvikle teknologien sin, hentet Marzo og kollegene inspirasjon fra visuelle hologrammer, der et lysfelt projiseres fra en flat overflate for å produsere en serie “interferensmønstre” som danner et 3D-bilde. Lydbølger er også i stand til å lage interferensmønstre, slik at samme prinsipp kan brukes.
"I utgangspunktet kopierte vi prinsippet om lette hologrammer for å lage disse akustiske hologrammer, " sier Marzo, hvis team beskriver sitt arbeid denne uken i Nature Communications .
Marzo og teamet hans ordnet 64 små 16-volt transdusere i et rutenettlignende mønster. Hver svinger ble kalibrert for å avgi lydbølger ved 40 000 Hertz, en frekvens som langt overgår den maksimale følsomheten til det menneskelige øret (20 000 Hz), men er hørbart for andre dyr som hunder, katter og flaggermus.
Selv om frekvensen og kraften til hver svinger var identisk, laget forskerne en algoritme som varierte de relative toppene og trauene til hver bølge for å generere interferensmønstre og skape akustiske objekter.
Utfordringen var at disse akustiske objektene var uhørlige og usynlige for mennesker, så teamet måtte utvikle forskjellige simuleringer for å "se" lyden. I en tilnærming som ville gjøre enhver synestetisk stolt, brukte Marzo en mikrofon for å prøve ultralydbølger som ble sendt ut av svingerne, og deretter matet dataene gjennom en 3D-printer, som de brukte for å lage digitale visualiseringer av auditive objekter.
Etter å ha testet en rekke akustiske former, oppdaget forskerteamet tre som var mest effektive: tvillingfellen, som ligner et pinsett; virvelfellen, analog med en tornado som suspenderer en spinnende gjenstand i sentrum; og flaskefellen, som løfter gjenstanden i det tomme rommet inne i flasken.
Selv om det nåværende eksperimentet bare løftet små Styrofoam-perler, mener Marzo teknologien kan skaleres for forskjellige objekter ved å manipulere frekvensen til lydbølgene, som bestemmer størrelsen på de akustiske objektene, så vel som den generelle kraften til systemet, som tillater levitering av lettere eller tyngre gjenstander over lengre avstander.
"Levitering av partikler av ensidige transdusere er et fantastisk resultat som åpner nye muligheter for akustisk levitasjonsteknologi, " sier Marco Aurélio Brizzotti Andrade, adjunkt i fysikk ved University of São Paulo som tidligere har jobbet med lydbasert levitering .
"Én anvendelse av nedskalering er in vivo- manipulering - som betyr å levitere og manipulere partikler i kroppen, " sier Marzo. "Og disse partiklene kan være nyrestein, koagulerer, svulster og til og med kapsler for målrettet medisinelevering." Ultrasonisk levitasjon forstyrrer ikke magnetisk resonansavbildning, slik at leger øyeblikkelig kunne avbildet handlingen under manipulasjon in vivo .
Og når det gjelder disse mikromanipulasjonene i menneskekroppen, har den ensidige stråleteknologien en enorm fordel i forhold til den tosidige stående bølgeteknologien. For det første kan levitasjonsanordninger basert på stående bølger ved et uhell felle flere partikler enn de tiltenkte målene. "Imidlertid med ensidige løftere, og det er bare et enkelt fangstpunkt, " sier han.
Marzo påpeker imidlertid at ultralyd er begrenset i evnen til å levitere større gjenstander: “Å hente en gjenstand med størrelse på en ballkule ville kreve 1 000 Hz. Men det kommer inn i det hørbare området, som kan være irriterende eller til og med farlig for det menneskelige øret. ”
Teknologien har også noen lovende bruksområder i det ytre rom, der den kan suspendere større gjenstander i lavere tyngdekraft og forhindre at de driver rundt ukontrollert. Men Marzo avviser alle forestillinger om en Star Trek- lignende traktorstråle som er i stand til å manipulere mennesker på jorden.
Under normal tyngdekraft vil "kraften som kreves for å løfte et menneske sannsynligvis være dødelig, " sier Marzo. "Hvis du bruker for mye ultralydkraft på en væske, vil du lage mikrobobler." Med andre ord kan for mye lydkraft få blodet til å koke.
I fremtidige studier håper Marzo å samarbeide med ultralydspesialister for å avgrense teknologien til medisinske applikasjoner og utvide tilnærmingen til gjenstander i forskjellige størrelser ytterligere.
"Det er det fine med lyd, " sier han, "du har et bredt spekter av frekvenser som du kan bruke til en rekke bruksområder."
