Se ei ole Mattel-hoverboard. Mutta Espanjan ja Ison-Britannian ryhmän rakentama laite pystyy levitaamaan ja käsittelemään pieniä esineitä ilmassa, mahdollisesti vedessä ja ihmisen kudoksessa, korkeataajuisten ääniaaltojen avulla. Teknologia pitää lupaavana useilla aloilla lääketieteestä avaruustutkimukseen.
Asiaan liittyvä sisältö
- Levitating Train Breaks Speed Record Japanissa
Tutkijat tiesivät jo, että ääniaallot luovat värähtelevät taskut paineistettua ilmaa, joka voi tuottaa voiman esineelle, joka pystyy vastaamaan painovoiman vetävyyteen. Mutta vaikka ultraääni-levitaatiolaitteita onkin olemassa, ne kaikki luottavat seisoviin aaltoihin, jotka luodaan, kun kaksi saman taajuuden ääniaalloa lähetetään vastakkaisista suunnista ja asetetaan toistensa päälle. Tämä tarkoittaa, että kaikki aikaisemmat laitteet vaativat kaksi anturisarjaa.
"Kaikkien aikaisempien levitaattorien oli ympäröitävä hiukkanen akustisilla elementeillä, mikä oli vaivalloista jonkinlaisille manipuloinneille", kertoo tutkimuksen johtaja Asier Marzo Navarran julkisesta yliopistosta Espanjassa. ”Tekniikkamme vaatii kuitenkin vain ääniaaltoja yhdeltä puolelta. Se on kuin laser - voit levitaa hiukkasia, mutta yhdellä säteellä. ”
Teknologiansa kehittämiseksi Marzo ja hänen kollegansa vetosivat inspiraatiota visuaalisista hologrammeista, joissa valokenttä heijastetaan tasaiselta pinnalta tuottamaan sarjan "häiriökuvioita", jotka muodostavat 3D-kuvan. Ääniaallot kykenevät myös aiheuttamaan häiriökuvioita, joten samaa periaatetta voidaan soveltaa.
"Pohjimmiltaan kopioimme kevyiden hologrammien periaatetta näiden akustisten hologrammien luomiseksi", sanoo Marzo, jonka tiimi kuvailee heidän työtä tällä viikolla Nature Communications -tapahtumassa.
Marzo ja hänen tiiminsä järjestivät 64 pientä 16 voltin muunninta ruudukkoon. Jokainen anturi kalibroitiin lähettämään ääniaaltoja 40 000 hertsiä taajuudella, joka ylittää selvästi ihmisen korvan enimmäisherkkyyden (20 000 Hz), mutta on kuultavissa muille eläimille, kuten koirille, kissoille ja lepakoille.
Vaikka kunkin muuntimen taajuus ja teho olivat identtiset, tutkijat laativat algoritmin, joka vaihteli kunkin aallon suhteellisia piikkejä ja kouruja häiriökuvioiden muodostamiseksi ja akustisten kohteiden luomiseksi.
Haasteena oli, että nämä akustiset esineet olivat kuulumattomia ja näkymättömiä ihmisille, joten joukkueen oli kehitettävä erilaisia simulaatioita äänen "näkemiseksi". Marzo käytti mikrofonia mikrofonilla näytteenottoon lähettimien lähettämistä ultraääni-aalloista ja syöttää tiedot sitten 3D-tulostimen kautta, jolla he tekivät kuuloelementtien digitaalisen visualisoinnin.
Tutkittuaan erilaisia akustisia muotoja, tutkimusryhmä löysi kolme tehokkainta: kaksoisloukku, joka muistuttaa pinsettiä; pyörreloukku, analoginen tornadolle, joka keskeyttää kehrättävän esineen sen keskelle; ja pullonloukku, joka vapauttaa esineen tyhjään tilaan pullon sisällä.
Vaikka nykyisessä kokeessa nostettiin vain pieniä styroksivaarahelmiä, Marzo uskoo, että tekniikka voidaan skaalata eri kohteille manipuloimalla ääniaaltojen taajuutta, joka määrittelee akustisten esineiden koon sekä järjestelmän kokonaisvoiman, mikä mahdollistaa kevyempien tai raskaampien esineiden levitaatio pitemmillä matkoilla.
"Hiukkasten levitaatio yksipuolisten muuntimien avulla on hämmästyttävä tulos, joka avaa uusia mahdollisuuksia akustiselle levitaatioteknologialle", sanoo Marco Aurélio Brizzotti Andrade, São Paulon yliopiston fysiikan apulaisprofessori, joka on aiemmin työskennellyt äänipohjaisen levitaation parissa. .
"Yksi pienentämissovellus on in vivo manipulointi - tarkoittaen kehon sisällä olevien hiukkasten levittointia ja manipulointia", Marzo sanoo. "Ja nämä hiukkaset voivat olla munuaiskiviä, hyytymiä, kasvaimia ja jopa kapseleita kohdennettuun lääkkeen antamiseen." Ultraäänilevitaatio ei häiritse magneettikuvantamista, joten lääkärit pystyivät kuvaamaan toiminnan hetkessä in vivo -manipulaation aikana.
Ja kun kyse on näistä mikromanipulaatioista ihmiskehossa, yksipuolisella sädeteknologialla on valtava etu verrattuna kaksipuoliseen seisovaalotekniikkaan. Ensinnäkin seisoviin aaltoihin perustuvat levitaatiolaitteet voivat vahingossa vangita enemmän hiukkasia kuin aiotut kohteet. "Yksipuolisilla levitaatioilla on kuitenkin vain yksi ansapiste", hän sanoo.
Marzo huomauttaa kuitenkin, että ultraäänellä on rajoitettu kyky levittää suurempia esineitä: ”Rantapallokokoisen esineen noutaminen vaatisi 1000 Hz. Mutta se tulee kuuluvaan alueeseen, mikä voi olla ärsyttävää tai jopa vaarallista ihmisen korvalle. "
Teknologialla on myös lupaavia sovelluksia avaruudessa, missä se voi ripustaa suurempia esineitä pienemmässä painoarvossa ja estää niitä ajautumasta hallitsemattomasti. Mutta Marzo hylkää kaikki ajatukset Star Trek -maisesta traktoripalkista, joka kykenee manipuloimaan ihmisiä maan päällä.
Normaalissa painovoimassa "ihmisen nostamiseen tarvittava voima olisi todennäköisesti tappava", Marzo sanoo. "Jos lisäät liikaa ultraäänitehoa nesteeseen, niin muodostat mikromulleita." Toisin sanoen liiallinen ääniteho voi saada veren kiehuvaksi.
Tulevissa tutkimuksissa Marzo toivoo tekevänsä yhteistyötä ultraääni-asiantuntijoiden kanssa lääketieteellisten sovellusten tekniikan hienosäätöön ja lähestymistavan laajentamiseksi edelleen erikokoisiin kohteisiin.
"Se on hieno asia äänessä, " hän sanoo. "Sinulla on laaja taajuusvalikoima, jota voit käyttää moniin sovelluksiin."
