Японские физики разработали новый способ левитации объектов с помощью звука

Физики из Японии придумали, как поднимать предметы с отражающих поверхностей с помощью акустической левитации. Это открытие может найти применение в биомедицинской инженерии, нанотехнологии и разработке фармацевтических препаратов.

Сегодня ученые уже разработали способ манипулирования объектами, не касаясь их. Это можно сделать с помощью технологии, называемой оптическим пинцетом, в которой используются лазеры для создания давления, достаточного для левитации и перемещения чрезвычайно мелких частиц.

Акустический пинцет, в котором давление, создаваемое звуковыми волнами потенциально может стать еще более мощным инструментом. Его можно было бы использовать для манипулирования более широким спектром материалов, а при больших размерах — вплоть до миллиметрового масштаба.

Акустический пинцет был впервые разработан в 1980-х годах, однако существуют значительные ограничения, препятствующие его широкому практическому применению. Для начала необходима надежная «ловушка» из звуковых волн. Полусферические массивы акустических преобразователей могут использоваться для создания звуковой ловушки, но управлять ими в реальном времени сложно, поскольку необходимо создать исключительно правильное звуковое поле, чтобы поднять объект и переместить его от преобразователей.

Задача еще более усложняется наличием поверхности, отражающей звук. Однако инженеры Шота Кондо и Кан Окубо из Токийского столичного университета 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 столе с отражением. 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 первое исследование, демонстрирующее бесконтактный захват с использованием этого подхода», – авторы разработки.

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.

Используя этот массив, исследователи смогли подобрать пенополистирол с зеркальной поверхности, но ненадежно — иногда шарик рассеивался вдали от акустического давления, а не попадал в ловушку. Тем не менее, эта работа представляет собой значительный шаг вперед, поскольку бесконтактный захват с отражающей поверхности раньше не проводился, пишут Кондо и Окубо.