Тема:

Притягивающий луч 1 месяц назад

Изобретён акустический пинцет нового типа для бесконтактного перемещения предметов

(а) Левитация полусферическими решетками преобразователей (б) Установка преобразователей на решетку диаметром 120 мм. (c) Распределение относительного акустического давления в поперечном сечении.

(а) Левитация полусферическими решетками преобразователей (б) Установка преобразователей на решетку диаметром 120 мм. (c) Распределение относительного акустического давления в поперечном сечении.
Иллюстрация Tokyo Metropolitan University.

(а) Левитация полусферическими решетками преобразователей (б) Установка преобразователей на решетку диаметром 120 мм. (c) Распределение относительного акустического давления в поперечном сечении.

Исследователи из Токийского столичного университета (Tokyo Metropolitan University) разработали новую технологию, которая позволяет бесконтактно манипулировать небольшими объектами с помощью звуковых волн.

Ученые использовали полусферический массив ультразвуковых преобразователей для создания трехмерного акустического поля, которое поднимало в воздух и устойчиво удерживало небольшой полистироловый шарик с отражающей поверхностью. Изобретение имеет сходство с широко известным лазерным (оптическим) пинцетом.

В биологии и химии лазерный пинцет, более известный как оптический пинцет или оптическая ловушка, уже много лет помогает ученым использовать световую волну лазера для перемещения микроскопических объектов. За изобретение лазерного пинцета и применение его в биологии в 2018 году Нобелевскую премию по физике получил Артур Эшкин (Arthur Ashkin). Ему на тот момент было уже 96 лет. Но использование лазерного света не лишено недостатков. Он позволяет перемещать только микроскопические объекты.

Лазерному пинцету давно нашли альтернативу – акустический пинцет. В нем вместо световой волны используется волна звуковая. Первая акустическая левитация была продемонстрирована в далеком 1933 году: тогда два немецких ученых подняли в воздух с помощью стоячей звуковой волны капли спирта.

Звуковые волны можно применять к более крупным, чем в случае лазерного пинцета, объектам. Инженерам удавалось подвешивать с помощью звука даже шарик для гольфа. Правда, не удавалось двигать его в воздухе, ведь при этом приходится преодолевать серьезные технические проблемы.

К примеру, непросто точно управлять огромными массивами ультразвуковых преобразователей в режиме реального времени или получать нужные звуковые поля для подъема объектов вдали от преобразователей и особенно вблизи поверхностей, отражающих звук. Ультразвуковые преобразователи можно сравнить с громкоговорителями, которые находятся в руках учёных. Чем дальше человек от мегафона, испускающего звук, тем сложнее ему услышать нужную команду и правильно её выполнить. Ещё сложнее сориентироваться, когда на тебя направлены десятки громкоговорителей одновременно, и тебе необходимо учитывать требования сразу десятка "говорящих".

Поэтому исследователи из Токийского столичного университета придумали новый подход. Они использовали его, чтобы поднять в воздух при помощи звуковых волн объекты миллиметрового размера с отражающей поверхностью. В ход пошла полусферическая матрица преобразователей. Также японцы предложили свой метод управления этим массивом "громкоговорителей".

Их метод управления матрицей позволил избежать описанных выше проблем. Для этого ученые разбили матрицу на управляемые блоки и использовали обратный фильтр, который сам находит наиболее подходящую фазу и амплитуду акустического луча от каждого блока и фокусирует пучок лучей на некотором расстоянии от самих блоков.

Таким образом, система управления блоками может изменять параметры созданного акустического поля и перемещать захваченную полем частицу. Правда, есть проблемы с удержанием и стабильностью положения частиц, но, как говорят ученые, их новая технология может привести к большим успехам в разработке акустических ловушек в будущем.

Статья об изобретении опубликована в издании Japanese Journal of Applied Physics.

Ранее мы писали о создании гибкой системы левитации, не замечающей препятствий, и о том, что устройство для левитации теперь можно собрать в любом доме. А еще писали, что акустический "притягивающий луч" создали при помощи 3D-печати за смешные деньги.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".