Физики разработали новый способ левитации объектов с помощью звука

Инженеры в Японии придумали, как поднимать предметы с отражающих поверхностей с помощью акустической левитации. Хотя они еще не могут сделать это надежно, прогресс может помочь раскрыть весь потенциал манипулирования физическими объектами, используя только звук.

Биомедицинская инженерия, нанотехнологии и разработка фармацевтических препаратов - вот некоторые из областей, в которых манипулирование объектами, не касаясь их, потенциально действительно полезно. Мы уже можем сделать это с помощью технологии, называемой оптическим пинцетом , в которой используются лазеры для создания давления излучения, достаточного для левитации и перемещения чрезвычайно мелких частиц.

Акустический пинцет, в котором давление, создаваемое звуковыми волнами, может использоваться для перемещения частиц, может стать еще более мощным инструментом. Их можно было использовать для манипулирования более широким спектром материалов, а при больших размерах - вплоть до миллиметрового масштаба.

Однако, несмотря на то, что они были впервые обнаружены в 1980-х годах, существуют значительные ограничения, препятствующие широкому практическому применению акустических пинцетов. Для начала вам понадобится надежная «ловушка» из звуковых волн.

Полусферические массивы акустических преобразователей могут использоваться для создания звуковой ловушки, но управлять ими в реальном времени сложно, поскольку вам нужно создать только правильное звуковое поле, чтобы поднять объект и переместить его подальше от преобразователей.

Еще сложнее, если есть поверхность, отражающая звук, так как это может усложнить звуковое поле.

Инженеры Шота Кондо и Кан Окубо из Токийского столичного университета в Японии придумали, как построить полусферический акустический массив, который может поднимать 3-миллиметровый шар из полистирола с отражающей поверхности.

"Мы предлагаем массив многоканальных полусферических ультразвуковых преобразователей для бесконтактного приема на жестком предметном столике с отражением", - написали они в своей статье.

"Фаза и амплитуда каждого канала оптимизированы с помощью метода воспроизведения звука. Это создает акустическую ловушку только в желаемом месте, и, таким образом, звукосниматель может быть реализован на жесткой сцене. Насколько нам известно, это первый исследование, чтобы продемонстрировать бесконтактный захват с использованием этого подхода".

Их метод основан на разделении матрицы преобразователей на блоки, что более управляемо, чем попытки управлять преобразователями по отдельности. Затем они использовали обратный фильтр для воспроизведения звуков на основе формы акустической волны. Это помогает оптимизировать фазу и амплитуду каждого канала преобразователя для создания желаемого акустического поля.

Трехмерное моделирование показало, как и где создавалось поле с использованием этих методов.

Затем это поле можно перемещать, которое, конечно же, также перемещается вокруг захваченной в нем частицы. Используя этот массив, исследователи смогли подобрать пенополистирол с зеркальной поверхности, но ненадежно - иногда мяч рассеивался вдали от акустического давления, а не попадал в ловушку.

Тем не менее, эта работа представляет собой шаг вперед, поскольку бесконтактный захват с отражающей поверхности раньше не проводился. Это - даже ненадежное - показывает нам, как двигаться вперед.

"В будущих исследованиях, - написали исследователи, - надежность предлагаемого метода будет улучшена для практического использования бесконтактного датчика".

Напомним, ранее сообщалось, что физики открыли новую экзотическую частицу.

Источник