Det er ikke noget Mattel-hoverboard. Men en enhed, der er bygget af et team i Spanien og Storbritannien, kan levitere og manipulere små genstande i luft og muligvis i vand og menneskeligt væv ved hjælp af højfrekvente lydbølger. Teknologien giver løfte på en række områder, der spænder fra medicin til rumforskning.
Relateret indhold
- Levitating Train Breaks Speed Record i Japan
Forskere vidste allerede, at lydbølger skaber svingende lommer med trykluft, som kan producere en kraft på et objekt, der er i stand til at modvirke tyngdekraften. Men selvom der findes ultralydsafitationsanordninger, er de alle afhængige af stående bølger, der oprettes, når der udsendes to lydbølger med samme frekvens fra modsatte retninger og overlejres på hinanden. Det betyder, at alle tidligere enheder kræver to sæt transducere.
”Alle tidligere ophævere måtte omringe partiklen med akustiske elementer, hvilket var besværligt for en slags manipulation, ” siger studieleder Asier Marzo ved det offentlige universitet i Navarra i Spanien. ”Vores teknik kræver dog kun lydbølger fra den ene side. Det er som en laser - du kan levitere partikler, men med en enkelt stråle. ”
For at udvikle deres teknologi hentede Marzo og hans kolleger inspiration fra visuelle hologrammer, hvor et lysfelt projiceres fra en flad overflade for at producere en række ”interferensmønstre”, der danner et 3D-billede. Lydbølger er også i stand til at fremstille interferensmønstre, så det samme princip kan anvendes.
”Grundlæggende kopierede vi princippet om lette hologrammer for at skabe disse akustiske hologrammer, ” siger Marzo, hvis team beskriver deres arbejde i denne uge i Nature Communications .
Marzo og hans team arrangerede 64 små 16-volt transducere i et gitterlignende mønster. Hver transducer blev kalibreret for at udsende lydbølger ved 40.000 Hertz, en frekvens, der langt overstiger det maksimale følsomhed for det menneskelige øre (20.000 Hz), men kan høres for andre dyr, såsom hunde, katte og flagermus.
Selvom frekvensen og effekten af hver transducer var identisk, lavede videnskabsmændene en algoritme, der varierede de relative toppe og troughs for hver bølge for at generere interferensmønstre og skabe akustiske objekter.
Udfordringen var, at disse akustiske objekter var uhørlige og usynlige for mennesker, så teamet måtte udvikle forskellige simuleringer for at ”se” lyden. I en fremgangsmåde, der ville gøre enhver synesthete stolt, brugte Marzo en mikrofon til at prøve ultralydbølger udsendt af transducerne og derefter mates dataene via en 3D-printer, som de brugte til at skabe digitale visualiseringer af de auditive objekter.
Efter at have testet en række akustiske former opdagede forskerteamet tre, der var mest effektive: tvillingfælden, der ligner et pincetpar; virvelfælden, analog med en tornado, der suspenderer et spindende objekt i midten; og flaskefælden, som løfter genstanden i det tomme rum inde i flasken.
Selvom det nuværende eksperiment kun løftede små Styrofoam-perler, mener Marzo, at teknologien kan skaleres efter forskellige objekter ved at manipulere frekvensen af lydbølgerne, der bestemmer størrelsen på de akustiske objekter, såvel som den generelle styrke i systemet, der tillader levitation af lettere eller tungere genstande over længere afstande.
”Levitation af partikler fra ensidede transducere er et fantastisk resultat, der åbner nye muligheder for akustisk levitationsteknologi, ” siger Marco Aurélio Brizzotti Andrade, adjunkt i fysik ved University of São Paulo, der tidligere har arbejdet med lydbaseret levitation .
”En anvendelse af nedskalering er in vivo- manipulation - hvilket betyder at levitere og manipulere partikler inde i kroppen, ” siger Marzo. ”Og disse partikler kunne være nyresten, blodpropper, tumorer og endda kapsler til målrettet lægemiddelafgivelse.” Ultrasonisk levitation forstyrrer ikke den magnetiske resonansafbildning, så læger kunne øjeblikkeligt forestille handlingen under in vivo- manipulation.
Og når det kommer til disse mikromanipulationer i den menneskelige krop, har ensidig stråleteknologien en enorm fordel i forhold til den tosidede stående bølgeteknologi. For det første kan leviteringsanordninger, der er baseret på stående bølger, ved et uheld fælde flere partikler end de tilsigtede mål. ”Imidlertid med ensidige løftestakere, og der er kun et enkelt fældepunkt, ” siger han.
Marzo påpeger dog, at ultralyd er begrænset med hensyn til dens evne til at opløse større genstande: ”At afhente et objekt med strandkuglestørrelse ville kræve 1.000 Hz. Men det kommer ind i det hørbare interval, som kan være irriterende eller endda farligt for det menneskelige øre. ”
Teknologien har også nogle lovende anvendelser i det ydre rum, hvor den kan ophænge større genstande i lavere tyngdekraft og forhindre dem i at drive rundt ukontrolleret. Men Marzo afviser alle forestillinger om en Star Trek- lignende traktorstråle, der er i stand til at manipulere mennesker på Jorden.
Under normal tyngdekraft ville "kraften, der kræves for at løfte et menneske, sandsynligvis være dødbringende, " siger Marzo. ”Hvis du bruger for meget ultralydstrøm på en væske, opretter du mikrobobler.” Med andre ord kan for megen lydstyrke få dit blod til at koge.
I fremtidige undersøgelser håber Marzo at samarbejde med ultralydspecialister for at forbedre teknologien til medicinske applikationer og yderligere udvide tilgangen til genstande i forskellige størrelser.
”Det er den dejlige ting ved lyd, ” siger han. ”Du har en bred vifte af frekvenser, som du kan bruge til forskellige applikationer.”
