Het is geen Mattel-hoverboard. Maar een apparaat dat door een team in Spanje en het VK is gebouwd, kan kleine objecten in lucht, en mogelijk in water en menselijk weefsel, leviteren en manipuleren met behulp van hoogfrequente geluidsgolven. De technologie is veelbelovend op verschillende gebieden, variërend van geneeskunde tot verkenning van de ruimte.
gerelateerde inhoud
- Zwevende trein breekt snelheidsrecord in Japan
Wetenschappers wisten al dat geluidsgolven oscillerende zakken perslucht creëren, die een kracht op een object kunnen produceren dat de zwaartekracht kan tegengaan. Maar hoewel ultrasone levitatie-apparaten bestaan, vertrouwen ze allemaal op staande golven, die worden gecreëerd wanneer twee geluidsgolven van dezelfde frequentie vanuit tegenovergestelde richtingen worden uitgezonden en op elkaar worden gelegd. Dat betekent dat alle eerdere apparaten twee sets transducers nodig hebben.
"Alle vorige levitators moesten het deeltje omringen met akoestische elementen, wat omslachtig was voor een soort manipulaties", zegt onderzoeksleider Asier Marzo aan de Public University of Navarre in Spanje. “Onze techniek vereist echter slechts geluidsgolven van één kant. Het is als een laser - je kunt deeltjes zweven, maar met een enkele straal. "
Om hun technologie te ontwikkelen, haalden Marzo en zijn collega's inspiratie uit visuele hologrammen, waarin een lichtveld wordt geprojecteerd vanaf een plat oppervlak om een reeks "interferentiepatronen" te produceren die een 3D-beeld vormen. Geluidsgolven kunnen ook interferentiepatronen maken, dus hetzelfde principe kan worden toegepast.
"In principe hebben we het principe van lichte hologrammen gekopieerd om deze akoestische hologrammen te maken", zegt Marzo, wiens team hun werk deze week beschrijft in Nature Communications .
Marzo en zijn team schikten 64 kleine 16-volt transducers in een rasterachtig patroon. Elke transducer werd gekalibreerd om geluidsgolven uit te zenden met 40.000 Hertz, een frequentie die de maximale gevoeligheid van het menselijk oor (20.000 Hz) ver overtreft, maar hoorbaar is voor andere dieren zoals honden, katten en vleermuizen.
Hoewel de frequentie en het vermogen van elke transducer identiek waren, ontwikkelden de wetenschappers een algoritme dat de relatieve pieken en dalen van elke golf varieerde om interferentiepatronen te genereren en akoestische objecten te creëren.
De uitdaging was dat deze akoestische objecten onhoorbaar en onzichtbaar waren voor mensen, dus moest het team verschillende simulaties ontwikkelen om het geluid te 'zien'. In een benadering die elke synesthete trots zou maken, gebruikte Marzo een microfoon om ultrasone golven van de transducers te bemonsteren en voerde de gegevens vervolgens door een 3D-printer, waarmee ze digitale visualisaties van de auditieve objecten maakten.
Na het testen van verschillende akoestische vormen, ontdekte het onderzoeksteam er drie die het meest effectief waren: de dubbele val, die lijkt op een pincet; de wervelval, analoog aan een tornado die een draaiend voorwerp in het midden hangt; en de flessenval, die het object in de lege ruimte binnen de fles laat zweven.
Hoewel het huidige experiment alleen kleine piepschuimkorrels optilde, gelooft Marzo dat de technologie kan worden geschaald voor verschillende objecten door de frequentie van de geluidsgolven te manipuleren, die de grootte van de akoestische objecten bepaalt, evenals de algehele kracht van het systeem, waardoor de levitatie van lichtere of zwaardere objecten over langere afstanden.
"De levitatie van deeltjes door eenzijdige transducers is een verbluffend resultaat dat nieuwe mogelijkheden opent voor akoestische levitatietechnologie, " zegt Marco Aurélio Brizzotti Andrade, een assistent-professor in de natuurkunde aan de Universiteit van São Paulo, die eerder heeft gewerkt aan op geluid gebaseerde levitatie .
"Een toepassing van het terugschroeven is in vivo manipulatie - dat wil zeggen zwevende en manipulerende deeltjes in het lichaam, " zegt Marzo. "En deze deeltjes kunnen nierstenen, stolsels, tumoren en zelfs capsules zijn voor gerichte medicijnafgifte." Ultrasone levitatie interfereert niet met magnetische resonantiebeeldvorming, zodat artsen de actie onmiddellijk konden in beeld brengen tijdens in vivo manipulatie.
En als het gaat om deze micromanipulaties in het menselijk lichaam, heeft de eenzijdige bundeltechnologie een enorm voordeel ten opzichte van de tweezijdige staande golftechnologie. Om te beginnen kunnen levitatie-apparaten op basis van staande golven per ongeluk meer deeltjes vangen dan de beoogde doelen. "Echter, met eenzijdige levitators, en er is slechts een enkel vangpunt", zegt hij.
Marzo wijst er echter op dat echografie beperkt is in zijn vermogen om grotere objecten te laten zweven: “Om een strandbal-achtig object op te pakken zou 1000 Hz nodig zijn. Maar dat komt binnen het hoorbare bereik, wat vervelend of zelfs gevaarlijk voor het menselijk oor kan zijn. ”
De technologie heeft ook enkele veelbelovende toepassingen in de ruimte, waar het grotere objecten met een lagere zwaartekracht kan ophangen en kan voorkomen dat ze ongecontroleerd rondzwerven. Maar Marzo verwerpt alle noties van een Star Trek- achtige trekstraal die mensen op aarde kan manipuleren.
Onder normale zwaartekracht is 'de kracht die nodig is om een mens op te tillen waarschijnlijk dodelijk', zegt Marzo. "Als u te veel ultrasone energie op een vloeistof toepast, maakt u microbellen." Met andere woorden, te veel geluidsvermogen kan uw bloed laten koken.
In toekomstige studies hoopt Marzo samen te werken met ultrasone specialisten om de technologie voor medische toepassingen te verfijnen en de benadering van objecten met verschillende afmetingen verder uit te breiden.
"Dat is het mooie van geluid, " zegt hij. "Je hebt een breed scala aan frequenties die je kunt gebruiken voor verschillende toepassingen."
