Акустический пинцет заставил объекты левитировать в трёх измерениях

Исследователи из Испании и Великобритании сообщили об итогах прорывного исследования. Асьер Марсо Перес (Asier Marzo Pérez) из Наваррского народного университета и Брюс Дринкуотер (Bruce Drinkwater) из Университета Бристоля создали устройство под названием акустический пинцет, способное одновременно манипулировать десятками небольших объектов, используя для этого только звуковые волны. 

Напомним, что осенью 2018 года 96-летний Артур Эшкин (Arthur Ashkin) стал одним из лауреатов Нобелевской премии по физике. Он удостоился награды "за создание оптических пинцетов и их применение к биологическим системам".

Оптический пинцет – это устройство, которое манипулирует объектами с помощью лазерного луча. Он позволяет перемещать, к примеру живые бактерии или крупные молекулы. Кроме того, с помощью лазерного луча можно подталкивать или тянуть мишень в нужном направлении, поворачивать её и разрезать на фрагменты.

С момента открытия этой технологии в 1970 году исследователи пытались перенести те же принципы из "царства оптики" в "царство звука". И такие работы увенчались успехом. К примеру, авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) сообщали о том, как физики "подвесили в воздух" капли жидкости и шарик для гольфа, что, к слову, стало новым рекордом левитации.

Правда, до сих пор подобные системы едва ли были пригодны для широких практических применений.

Однако учёные были уверены, что однажды концепция принесёт пользу во многих сферах. К примеру, по сравнению с оптическим пинцетом акустический имеет несколько преимуществ для использования в хирургии. Последний может работать с непрозрачными материалами (органами человека) и "довольствуется" более низкой мощностью, что снижет риск повреждений нежной живой ткани.

Асьер Марсо Перес и Брюс Дринкуотер сделали важный шаг в развитии данной технологии. Они разработали метод манипуляции десятками мелких левитирующих частиц с использованием одних лишь звуковых волн.

В ходе работы специалисты создали два массива из 256 звуковых излучателей (устройства для формирования и выдачи определённых звуковых сигналов), каждый диаметром в один сантиметр. Их разместили напротив друг друга на расстоянии 23 сантиметров. Такие звуковые излучатели генерируют звуковые волны с частотой 40 килогерц. Это ультразвуковые волны, которые не доступны для человеческого слуха.

Кроме того, учёными был разработан алгоритм, который регулирует мощность каждого динамика 90 раз в секунду, чтобы заставить объект перемещаться по мере необходимости.

Левитация шести частиц диаметром два миллиметра по заранее заданной схеме. Слева показан эксперимент, справа – моделирование акустического поля.
Фото Asier Marzo, Bruce Drinkwater.

Управляя исходящим из динамиков звуком с помощью компьютера, можно одновременно и независимо управлять движением до 25 небольших объектов – диаметром до 2,5 сантиметра – в трёхмерном пространстве.

Чтобы продемонстрировать работу своей системы, исследователи прикрепляли по два сферических шарика из пенопласта диаметром до трёх миллиметров к концам нити и использовали акустический пинцет, чтобы "прошить" с их помощью кусок ткани (как показано на видео ниже).

 

На следующем этапе авторы намерены адаптировать технологию для применения не только в воздухе, но и в жидкости. После этого акустический пинцет можно будет использовать в работе с биологическими материалами, поначалу для имитации хирургических операций, а затем и на практике.

Специалисты уверены, что эта концепция станет новым словом в неинвазивой хирургии и не только. К примеру, акустический пинцет пригодится для создания новых высокоинтерактивных 3D-дисплеев: физические пиксели будут перемещаться, образуя подвижные формы, которые видно под любым углом.

"Мы привыкли к двумерным пикселям в наших мониторах, но мы хотели бы увидеть технологию, в которой объекты формируются из осязаемых пикселей, которые "плавают" в воздухе", – пояснил Асьер Марсо Перес.

Более подробно о новом акустическом пинцете рассказывается в научной статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.