Това не е ховърборд на Mattel. Но устройство, изградено от екип в Испания и Обединеното кралство, може да левитира и манипулира малки обекти във въздуха и вероятно във водата и човешката тъкан, като използва високочестотни звукови вълни. Технологията обещава в различни области, вариращи от медицина до космически изследвания.
Свързано съдържание
- Левитиращ влак нарушава рекорда за скорост в Япония
Учените вече знаеха, че звуковите вълни създават колебателни джобове от въздух под налягане, което може да произведе сила върху обект, способен да противодейства на тегленето на гравитацията. Но докато устройствата за ултразвукова левитация съществуват, всички те разчитат на стоящи вълни, които се създават, когато две звукови вълни с една и съща честота се излъчват от противоположни посоки и се наслагват една върху друга. Това означава, че всички предишни устройства изискват два комплекта датчици.
„Всички предишни левитатори трябваше да заобиколят частицата с акустични елементи, което беше тромаво за някакъв вид манипулации“, казва ръководителят на изследването Асиер Марзо от Публичния университет в Навара в Испания. „Нашата техника обаче изисква само звукови вълни от едната страна. Това е като лазер - можете да левитирате частици, но с един лъч. "
За да развият своята технология, Марцо и неговите колеги черпят вдъхновение от визуални холограми, в които светлинно поле се прожектира от плоска повърхност, за да произведе серия от „интерференционни модели“, които формират 3D изображение. Звуковите вълни също могат да създават смущения, така че може да се приложи същия принцип.
„По принцип ние копирахме принципа на леки холограми, за да създадем тези акустични холограми“, казва Марцо, чийто екип описва работата си тази седмица в Nature Communications .
Марцо и неговият екип подредиха 64 малки 16-волтови преобразуватели по схема, наподобяваща решетка. Всеки преобразувател е калибриран да излъчва звукови вълни при 40 000 херца, честота, която далеч надвишава максималната чувствителност на човешкото ухо (20 000 Hz), но е чуваща на други животни като кучета, котки и прилепи.
Въпреки че честотата и силата на всеки преобразувател са идентични, учените създадоха алгоритъм, който променяше относителните върхове и нива на всяка вълна, за да генерира модели на смущения и да създава акустични обекти.
Предизвикателството беше, че тези акустични обекти бяха нечути и невидими за хората, така че екипът трябваше да разработи различни симулации, за да „види“ звука. В подход, който би направил всеки синестетик горд, Марцо използва микрофон за вземане на проби от ултразвукови вълни, излъчвани от преобразувателите и след това захранва данните чрез 3D принтер, който използва за създаване на цифрови визуализации на слуховите обекти.
След като изпробва различни акустични форми, изследователският екип откри три, които са най-ефективни: капан-близнак, който наподобява чифт пинсети; вихровият капан, аналогичен на торнадо, който окачва въртящ се предмет в центъра му; и капана на бутилката, който левитира предмета в празното пространство вътре в бутилката.
Въпреки че настоящият експеримент повдига само малки мъниста от стиропор, Marzo смята, че технологията може да бъде мащабирана за различни обекти, като се манипулира честотата на звуковите вълни, което определя размера на акустичните обекти, както и общата мощност на системата, което позволява левитация на по-леки или по-тежки предмети на по-големи разстояния.
„Левитацията на частици от едностранни преобразуватели е невероятен резултат, който отваря нови възможности за технология на акустична левитация“, казва Марко Аурелио Брицоти Андраде, доцент по физика в Университета в Сао Пауло, който преди това е работил върху звукова основа левитация,
„Едно приложение за намаляване на мащаба е манипулация in vivo - което означава левитизиране и манипулиране на частици в тялото“, казва Марцо. „И тези частици могат да бъдат камъни в бъбреците, съсиреци, тумори и дори капсули за целенасочено доставяне на лекарства.“ Ултразвуковата левитация не пречи на магнитния резонанс, така че лекарите могат незабавно да представят действието по време на манипулация in vivo .
А що се отнася до тези микроманипулации в човешкото тяло, технологията на едностранния лъч има огромно предимство пред двустранната технология на стояща вълна. За начало устройствата за левитация, базирани на стоящи вълни, могат случайно да хванат повече частици от предвидените цели. „Въпреки това, при едностранните левитатори има само една точка на капан“, казва той.
Марзо обаче изтъква, че ултразвукът е ограничен в способността си да левитира по-големи предмети: „За да вземете обект с големина на плажна топка, ще е необходимо 1000 Hz. Но това навлиза в звуковата гама, която може да бъде досадна или дори опасна за човешкото ухо. "
Технологията има и някои обещаващи приложения в космическото пространство, където може да окачи по-големи обекти с по-ниска гравитация и да им попречи да се движат около неконтролирано. Но Марцо отхвърля всякакви представи за тракторна греда, подобна на Star Trek, способна да манипулира хората на Земята.
При нормална гравитация „силата, необходима за издигане на човек, вероятно би била смъртоносна“, казва Марцо. „Ако приложите прекалено много ултразвукова мощност към течност, вие ще създадете микробухи.“ С други думи, твърде много звукова сила може да накара кръвта ви да заври.
В бъдещи проучвания Марцо се надява да си сътрудничи със специалисти по ултразвук, за да усъвършенства технологията за медицински приложения и да разшири допълнително подхода към различни по големина обекти.
„Това е хубавото на звука - казва той. - Имате широк диапазон от честоти, които можете да използвате за различни приложения.“
