Технология акустического пинцета известна с 1986 года. Она основана на явлении акустической левитации и использует ультразвуковые волны, чтобы поднимать в воздух объекты величиной в несколько миллиметров. До недавнего времени ученые могли манипулировать лишь одним пластиковым шариком. Сейчас появилась возможность левитировать сразу множество объектов и управлять их перемещением по отдельности. На Хабре была статья, которая посвящена принципам работы технологии. Мы же расскажем о её потенциале и аналогах.
Фото Morgan / CC BY
Исследователи из Наваррского народного университета в Испании и Бристольского университета в Великобритании создали установку в виде своеобразной «коробки», внутри которой сверху и снизу расположены массивы ультразвуковых излучателей. Всего в системе используют 512 динамиков диаметром менее сантиметра, излучающих волны на частоте 40 КГц.
С помощью специальных отражателей, инженеры могут формировать так называемые стоячие волны. Они имеют одинаковую амплитуду и частоту, но отличаются по фазе. Так, между звуковыми волнами образуются «пустые» участки одинакового размера с нулевым давлением звука, они и удерживают объекты в воздухе. Этими объектами могут быть как кусочки пластика, так и капли жидкости. Перемещение отдельных предметов независимо друг от друга происходит за счет изменения фазы ��тоячих волн. За это отвечает специальный алгоритм, основанный на методе обратного распространения ошибки. Авторы технологии сравнивают его с пальцами, которые захватывают и двигают предметы в пределах поля. Используя 512 динамиков, исследователи смогли управлять 12 пенопластовыми шариками.
По словам авторов, акустическая левитация («акустический пинцет») может заменить другую технологию — «оптический пинцет», за открытие которого в 2018 году присудили Нобелевскую премию по физике. Оптический пинцет использует для перемещения микроскопических объектов (молекул и частиц) лазерный луч.
Но у такого подхода есть недостаток — он дорогостоящий, плюс лазер может нанести вред клеткам или живым организмам при контакте. Акустический пинцет этих недостатков лишен. Поэтому его предлагают использовать в медицине и биологических исследованиях. Например, акустический пинцет поможет направлять молекулы лекарства в нужную область организма пациента или делать микрохирургические операции.
Ещё одно возможное применение — создание 3D-дисплеев и голограмм из вокселей, или трехмерных пикселей. Существующие решения для генерации 3D-проекций основаны на явлениях светоотражения, и поэтому такие голограммы видны только при определенном ракурсе. Ультразвук поможет формировать трехмерные изображения из материальных частиц, что не будет компрометировать углы обзора «экранов».
Также акустический пинцет предлагают использовать в производстве микроэлектроники. При помощи ультразвука можно перемещать мелкие частицы и автоматизировать создание приборов, которые до этого собирались только вручную.
Пока технология может работать лишь в воздушной среде, но в будущем авторы планируют оценить возможности акустического пинцета в жидкости.
Существует несколько других разработок, основанных на принципе акустической левитации. Первая из них — «жидкая печать», которую создали в Гарварде.
Изобретение представляет собой принтер со специальной насадкой, в которую встроен генератор стоячих волн. Звук формирует капли жидкости одинакового заданного размера и наносит их на подложку. Устройство предлагают использовать в фармацевтике, производстве оптических материалов и других областях, где важна точная дозировка вещества.
Еще один проект представили инженеры из Национального автономного университета Мексики. Их установка использует акустическую левитацию совместно с лазерно-искровой эмиссионной спектрометрией для обнаружения тяжелых металлов в воде.
Исследуемое вещество облучают лазером и переводят в состояние плазмы. Измеряя спектральное излучение плазмы можно определить концентрацию отдельных элементов в ней. В университете Мексики использовали акустическую левитацию для удержания капли воды в одном положении. Это дает возможность получить более точные и качественные результаты анализа.
Фото Gaetano Virgallito / CC BY-ND
Также решение разработчиков позволило проводить исследования за пределами оборудованной лаборатории с помощью переносных спектрометров. Это поможет с изучением состава воды в регионах с плохой экологической ситуацией, потому что анализы можно будет проводить чаще.
Третье решение от немецких учёных использует акустическую левитацию для создания ультразвукового поля определённой формы. Это позволяет выстраивать физические частицы в желаемом порядке. Ожидается, что система найдет применение в медицине — поможет улучшить лечение ультразвуком, например более эффективно восстанавливать поврежденные мышцы за счёт направленного действия поля.
В целом потенциал акустической левитации обширен. Её можно использовать как на производстве, например для перемещения горячих предметов, так и в медицине — для проведения точных операций. В ближайшее время можно ожидать, что будут предложены новые способы применения технологии.
Дополнительное чтение — наш Мир Hi-Fi и тг-микроформат о звуке:
InSight впервые записал звуки марсианского ветра
Восемь аудиотехнологий, которые попадут в зал славы TECnology в 2019 году
Как превратить компьютер в радио, и другие способы извлечь музыку из выч. систем
Фото Morgan / CC BY
Кратко о том, что представляет собой технология
Исследователи из Наваррского народного университета в Испании и Бристольского университета в Великобритании создали установку в виде своеобразной «коробки», внутри которой сверху и снизу расположены массивы ультразвуковых излучателей. Всего в системе используют 512 динамиков диаметром менее сантиметра, излучающих волны на частоте 40 КГц.
С помощью специальных отражателей, инженеры могут формировать так называемые стоячие волны. Они имеют одинаковую амплитуду и частоту, но отличаются по фазе. Так, между звуковыми волнами образуются «пустые» участки одинакового размера с нулевым давлением звука, они и удерживают объекты в воздухе. Этими объектами могут быть как кусочки пластика, так и капли жидкости. Перемещение отдельных предметов независимо друг от друга происходит за счет изменения фазы ��тоячих волн. За это отвечает специальный алгоритм, основанный на методе обратного распространения ошибки. Авторы технологии сравнивают его с пальцами, которые захватывают и двигают предметы в пределах поля. Используя 512 динамиков, исследователи смогли управлять 12 пенопластовыми шариками.
Каков потенциал
По словам авторов, акустическая левитация («акустический пинцет») может заменить другую технологию — «оптический пинцет», за открытие которого в 2018 году присудили Нобелевскую премию по физике. Оптический пинцет использует для перемещения микроскопических объектов (молекул и частиц) лазерный луч.
Но у такого подхода есть недостаток — он дорогостоящий, плюс лазер может нанести вред клеткам или живым организмам при контакте. Акустический пинцет этих недостатков лишен. Поэтому его предлагают использовать в медицине и биологических исследованиях. Например, акустический пинцет поможет направлять молекулы лекарства в нужную область организма пациента или делать микрохирургические операции.
Ещё одно возможное применение — создание 3D-дисплеев и голограмм из вокселей, или трехмерных пикселей. Существующие решения для генерации 3D-проекций основаны на явлениях светоотражения, и поэтому такие голограммы видны только при определенном ракурсе. Ультразвук поможет формировать трехмерные изображения из материальных частиц, что не будет компрометировать углы обзора «экранов».
Также акустический пинцет предлагают использовать в производстве микроэлектроники. При помощи ультразвука можно перемещать мелкие частицы и автоматизировать создание приборов, которые до этого собирались только вручную.
Пока технология может работать лишь в воздушной среде, но в будущем авторы планируют оценить возможности акустического пинцета в жидкости.
Аналогичные разработки
Существует несколько других разработок, основанных на принципе акустической левитации. Первая из них — «жидкая печать», которую создали в Гарварде.
Изобретение представляет собой принтер со специальной насадкой, в которую встроен генератор стоячих волн. Звук формирует капли жидкости одинакового заданного размера и наносит их на подложку. Устройство предлагают использовать в фармацевтике, производстве оптических материалов и других областях, где важна точная дозировка вещества.
Еще один проект представили инженеры из Национального автономного университета Мексики. Их установка использует акустическую левитацию совместно с лазерно-искровой эмиссионной спектрометрией для обнаружения тяжелых металлов в воде.
Исследуемое вещество облучают лазером и переводят в состояние плазмы. Измеряя спектральное излучение плазмы можно определить концентрацию отдельных элементов в ней. В университете Мексики использовали акустическую левитацию для удержания капли воды в одном положении. Это дает возможность получить более точные и качественные результаты анализа.
Фото Gaetano Virgallito / CC BY-ND
Также решение разработчиков позволило проводить исследования за пределами оборудованной лаборатории с помощью переносных спектрометров. Это поможет с изучением состава воды в регионах с плохой экологической ситуацией, потому что анализы можно будет проводить чаще.
Третье решение от немецких учёных использует акустическую левитацию для создания ультразвукового поля определённой формы. Это позволяет выстраивать физические частицы в желаемом порядке. Ожидается, что система найдет применение в медицине — поможет улучшить лечение ультразвуком, например более эффективно восстанавливать поврежденные мышцы за счёт направленного действия поля.
В целом потенциал акустической левитации обширен. Её можно использовать как на производстве, например для перемещения горячих предметов, так и в медицине — для проведения точных операций. В ближайшее время можно ожидать, что будут предложены новые способы применения технологии.
Дополнительное чтение — наш Мир Hi-Fi и тг-микроформат о звуке:
InSight впервые записал звуки марсианского ветра Восемь аудиотехнологий, которые попадут в зал славы TECnology в 2019 году Как превратить компьютер в радио, и другие способы извлечь музыку из выч. систем
