Исследователи из Токийского столичного университета (Tokyo Metropolitan University) разработали 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 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 получил Нобелевскую премию по физике в 2018 году Артур Эшкин (Arthur Ashkin) в возрасте 96 лет. Но использование лазерного света не лишено недостатков. Он может 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, но 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.
Поэтому исследователи из Токийского столичного университета придумали новый подход, чтобы поднять звуковой волной объекты миллиметрового размера с отражающей поверхностью. Для этого они использовали полусферическую матрицу преобразователей. И предложили свой метод управления массивом преобразователей.
Их метод управления матрицей избежал сложностей. 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.
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.
Статья об изобретении опубликована в Japanese Journal of Applied Physics.