To není Mattel hoverboard. Zařízení vytvořené týmem ve Španělsku a ve Velké Británii však může pomocí vysokofrekvenčních zvukových vln levitovat a manipulovat s malými předměty ve vzduchu, případně ve vodě a lidské tkáni. Tato technologie je slibná v mnoha oborech, od medicíny až po průzkum vesmíru.
Související obsah
- Levitující rychlostní přestávky v Japonsku
Vědci již věděli, že zvukové vlny vytvářejí oscilační kapsy stlačeného vzduchu, které mohou vytvářet sílu na objekt schopný působit proti gravitaci. Ale zatímco ultrazvukové levitační zařízení existují, všichni se spoléhají na stojaté vlny, které se vytvářejí, když jsou dvě zvukové vlny stejné frekvence vysílány z opačných směrů a překrývají se jeden na druhého. To znamená, že všechna předchozí zařízení vyžadují dvě sady snímačů.
"Všichni předchozí levitátoři museli obklopit částici akustickými prvky, což bylo pro některé manipulace těžkopádné, " říká vedoucí studie Asier Marzo na veřejné univerzitě v Navarru ve Španělsku. "Naše technika však vyžaduje zvukové vlny pouze z jedné strany." Je to jako laser - můžete levitovat částice, ale jediným paprskem. “
Při vývoji své technologie se Marzo a jeho kolegové inspirovali vizuálními hologramy, ve kterých se z plochého povrchu promítá světelné pole, aby vytvořila řadu „interferenčních obrazců“, které tvoří 3D obraz. Zvukové vlny jsou také schopné vytvářet interferenční vzorce, takže lze použít stejný princip.
"V zásadě jsme zkopírovali princip světelných hologramů, abychom vytvořili tyto akustické hologramy, " říká Marzo, jehož tým popisuje svou práci tento týden v Nature Communications .
Marzo a jeho tým uspořádali 64 malých 16-voltových převodníků v mřížce. Každý snímač byl kalibrován tak, aby vyzařoval zvukové vlny při 40 000 Hertzech, což je frekvence, která daleko přesahuje maximální citlivost lidského ucha (20 000 Hz), ale je slyšitelná pro jiná zvířata, jako jsou psi, kočky a netopýři.
Ačkoli frekvence a síla každého převodníku byla identická, vědci vytvořili algoritmus, který měnil relativní vrcholy a koryty každé vlny, aby vytvářel interferenční vzory a vytvářel akustické objekty.
Výzvou bylo, že tyto akustické objekty byly pro člověka neviditelné a neviditelné, takže tým musel vyvinout různé simulace, aby „viděl“ zvuk. V přístupu, který by byl jakýkoli synestet, pyšný, Marzo použil mikrofon k vzorkování ultrazvukových vln emitovaných měniči a poté data napájel pomocí 3D tiskárny, kterou použil k vytvoření digitální vizualizace sluchových objektů.
Po testování různých akustických tvarů objevil výzkumný tým tři nejúčinnější: dvojitá past, která připomíná pinzetu; vírový pasti, analogický tornádu, které ve svém středu zavěšuje rotující objekt; a lapač lahví, který levituje předmět v prázdném prostoru uvnitř láhve.
Ačkoli současný experiment zvedl pouze malé polystyrénové kuličky, Marzo věří, že technologie může být upravena pro různé objekty manipulací s frekvencí zvukových vln, která určuje velikost akustických objektů, stejně jako s celkovou výkonností systému, což umožňuje levitace lehčích nebo těžších předmětů na větší vzdálenosti.
„Levitace částic jednostrannými měniči je úžasným výsledkem, který otevírá nové možnosti pro technologii akustické levitace, “ říká Marco Aurélio Brizzotti Andrade, odborný asistent fyziky na univerzitě v São Paulo, který dříve pracoval na zvukové levitaci .
„Jednou z aplikací zmenšování je manipulace in vivo - což znamená vznášet a manipulovat s částicemi uvnitř těla, “ říká Marzo. „A tyto částice by mohly být ledvinové kameny, sraženiny, nádory a dokonce i kapsle pro cílené dodávání léků.“ Ultrazvuková levitace neinterferuje se zobrazováním magnetickou rezonancí, takže lékaři by mohli okamžitě zobrazit akci během manipulace in vivo .
A pokud jde o tyto mikromanipulace v lidském těle, technologie jednostranného paprsku má oproti technologii oboustranné stojaté vlny obrovskou výhodu. Pro začátečníky mohou levitační zařízení založená na stojatých vlnách náhodně zachytit více částic než zamýšlené cíle. "Avšak s jednostrannými levitátory a je zde pouze jediný záchytný bod, " říká.
Marzo však poukazuje na to, že ultrazvuk má omezenou schopnost levitovat větší objekty: „Na vyzvednutí objektu velikosti plážového míče by bylo potřeba 1 000 Hz. Ale to vstupuje do slyšitelného dosahu, který by mohl být pro lidské ucho nepříjemný nebo dokonce nebezpečný. ““
Tato technologie má také některé slibné aplikace ve vesmíru, kde může pozastavit větší objekty při nižší gravitaci a zabránit jim v pohybu kolem nekontrolovaných. Ale Marzo odmítá jakékoli představy o tahovém paprsku podobném Star Treku, který dokáže manipulovat s lidmi na Zemi.
Za normální gravitace by „síla potřebná k zvedání člověka byla pravděpodobně smrtelná, “ říká Marzo. "Pokud na kapalinu aplikujete příliš mnoho ultrazvukového výkonu, vytvoříte mikrobubliny." Jinými slovy, příliš mnoho zvukového výkonu může způsobit, že se vaše krev vaří.
V budoucích studiích Marzo doufá, že bude spolupracovat s odborníky na ultrazvuk, aby zdokonalil technologii pro lékařské aplikace a dále rozšířil přístup k různým objektům.
"To je na zvuku pěkná věc, " říká. "Máte širokou škálu frekvencí, které můžete využít pro různé aplikace."
