Nije Mattel hoverboard. Ali uređaj koji je izradio tim u Španjolskoj i Velikoj Britaniji može levitirati i manipulirati malim predmetima u zraku, a možda i u vodi i ljudskom tkivu, koristeći visokofrekventne zvučne valove. Tehnologija obećava u raznim područjima, od medicine do istraživanja svemira.
Povezani sadržaj
- Levitirajući vlak ruši rekord brzine u Japanu
Znanstvenici su već znali da zvučni valovi stvaraju oscilirajuće džepove zraka pod pritiskom, koji mogu proizvesti silu na objekt koji je sposoban suprotstaviti se gravitaciji. No, iako uređaji za levitaciju ultrazvuka postoje, svi se oslanjaju na stajaće valove koji nastaju kada se dva zvučna talasa iste frekvencije emitiraju iz suprotnih smjerova i naliježu jedan na drugog. To znači da svi prethodni uređaji trebaju dva skupa pretvarača.
"Svi prethodni levitatori morali su okružiti čestice akustičkim elementima, što je bilo nezgrapno za neke vrste manipulacija", kaže vođa studije Asier Marzo na Javnom sveučilištu u Navarri u Španjolskoj. "Međutim, naša tehnika zahtijeva zvučne valove samo s jedne strane. To je poput lasera - čestice možete levitati, ali jednim zrakom. "
Kako bi razvili svoju tehnologiju, Marzo i njegovi kolege crpili su inspiraciju iz vizualnih holograma, u kojima se svjetlosno polje projicira iz ravne površine u proizvodnju niza "interferencijskih obrazaca" koji tvore 3D sliku. Zvučni valovi također mogu stvarati uzorke smetnji, tako da se može primijeniti isti princip.
"U osnovi smo kopirali princip lakih holograma kako bismo stvorili ove akustične holograme", kaže Marzo, čiji tim svoj rad ovaj tjedan opisuje u Nature Communications .
Marzo i njegov tim složili su 64 mala 16-voltna pretvarača u obliku mrežice. Svaki je pretvarač kalibriran da emitira zvučne valove na 40 000 Hertz, frekvencija koja daleko premašuje maksimalnu osjetljivost ljudskog uha (20 000 Hz), ali se čuje na drugim životinjama, poput pasa, mačaka i šišmiša.
Iako su frekvencija i snaga svakog pretvarača identični, znanstvenici su napravili algoritam koji je mijenjao relativne vrhove i korita svakog vala kako bi stvorio interferencijske uzorke i stvorio akustičke predmete.
Izazov je bio u tome što su ti akustički predmeti bili nečuveni i nevidljivi za ljude, pa je tim morao razviti različite simulacije da "vidi" zvuk. U pristupu kojim bi bilo koji sinestet bio ponosan, Marzo je upotrijebio mikrofon za uzorkovanje ultrazvučnih valova koje emitiraju pretvarači, a zatim je podatke hranio pomoću 3D pisača koji su koristili za stvaranje digitalnih vizualizacija slušnih objekata.
Nakon testiranja raznih akustičnih oblika, istraživački tim otkrio je tri najučinkovitija: zamku blizanaca koja nalikuje paru pinceta; vrtložni zamka, analogna tornadu koji u svom središtu objesi vrtljivi objekt; i zamku za boce, koja levitazira objekt u praznom prostoru unutar boce.
Iako je trenutni eksperiment podigao samo male kuglice od stiropora, Marzo vjeruje da se tehnologija može skalirati za različite predmete manipulacijom frekvencijom zvučnih valova, što određuje veličinu akustičnih objekata, kao i ukupnu snagu sustava, što omogućuje levitacija lakših ili težih predmeta na većim udaljenostima.
"Levitacija čestica jednostranim pretvornicima nevjerojatan je rezultat koji otvara nove mogućnosti za tehnologiju akustičke levitacije", kaže Marco Aurélio Brizzotti Andrade, docent fizike na Sveučilištu u São Paulu koji je prethodno radio na zvuku zasnovanom levitaciji,
"Jedna primjena smanjenja je in vivo manipulacija - što znači levitiranje i manipuliranje česticama u tijelu", kaže Marzo. "A te čestice mogu biti bubrežni kamenci, ugrušci, tumori, pa čak i kapsule za ciljano davanje lijekova." Ultrazvučna levitacija ne ometa magnetsku rezonancu, pa bi liječnici mogli trenutačno uslikati akciju tijekom in vivo manipulacije.
A kad su u pitanju ove mikromanipulacije u ljudskom tijelu, tehnologija jednostranog snopa ima ogromnu prednost u odnosu na tehnologiju dvostranog stajanja valova. Za početak uređaji za levitaciju temeljeni na stajaćim valovima mogu slučajno zarobiti više čestica od predviđenih ciljeva. "Međutim, s jednostranim levitatorima postoji samo jedna točka zamke", kaže on.
Marzo, međutim, ističe da je ultrazvuk ograničen u svojoj sposobnosti levitacije većih predmeta: „Za odabir predmeta veličine plažne kuglice trebat će 1000 Hz. Ali to ulazi u zvučni raspon koji bi mogao biti neugodan ili čak opasan za ljudsko uho. "
Tehnologija također ima neke obećavajuće primjene u svemiru, gdje može objesiti veće objekte niže gravitacije i spriječiti ih da nekontrolirano lebde. Ali Marzo odbacuje bilo kakve predodžbe o traktorskom snopu sličnom Star Trek koji bi mogao manipulirati ljudima na Zemlji.
Pod normalnom gravitacijom, "snaga potrebna za podizanje čovjeka vjerojatno bi bila smrtonosna", kaže Marzo. "Ako primijenite previše ultrazvučne snage na tekućinu, stvorit ćete mikro mjehuriće." Drugim riječima, previše zvučne snage može naterati do krvi.
U budućim studijama Marzo se nada da će surađivati sa stručnjacima za ultrazvuk kako bi usavršili tehnologiju za medicinsku primjenu i dodatno proširili pristup na objekte različitih veličina.
"To je lijepa stvar sa zvukom", kaže on, "imate širok raspon frekvencija koje možete koristiti za razne aplikacije."
