- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Технология акустического пинцета [1] известна с 1986 года. Она основана на явлении акустической левитации [2] 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 [3], которая посвящена принципам работы технологии. Мы же расскажем о её потенциале и аналогах.
[4]
Фото Morgan [5] / CC BY [6]
Исследователи из Наваррского народного университета в Испании и Бристольского университета в Великобритании создали [7] 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 [8]. Они имеют одинаковую амплитуду и частоту, но отличаются по фазе. Так, между звуковыми волнами образуются «пустые» участки одинакового размера с нулевым давлением звука [9], 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 стоячих волн. За это отвечает специальный алгоритм, основанный на методе обратного распространения ошибки [10]. Авторы технологии сравнивают [11] 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 [12]», 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 [13], 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 [7] — создание 3D-дисплеев и голограмм из вокселей [14], 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 [15] 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 [16] 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 [17] акустическую левитацию совместно с лазерно-искровой эмиссионной спектрометрией [18] для обнаружения тяжелых металлов в воде.
Исследуемое вещество облучают лазером и переводят в состояние плазмы [19]. 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 [20] / CC BY-ND [21]
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 [22] 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 [23] для перемещения горячих предметов, так и в медицине — для проведения точных операций. В ближайшее время можно ожидать, что будут предложены новые способы применения технологии.
InSight впервые записал звуки марсианского ветра [24]
Восемь аудиотехнологий, которые попадут в зал славы TECnology в 2019 году [25]
Как превратить компьютер в радио, и другие способы извлечь музыку из выч. систем [26]
Автор: Audioman
Источник [27]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/fizika/306466
Ссылки в тексте:
[1] акустического пинцета: https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_tweezers
[2] акустической левитации: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BA%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F
[3] статья: https://habr.com/ru/company/ua-hosting/blog/434326/
[4] Image: https://habr.com/ru/company/audiomania/blog/437438/
[5] Morgan: https://www.flickr.com/photos/meddygarnet/24797685766/
[6] CC BY: https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/
[7] создали: https://www.pnas.org/content/early/2018/12/11/1813047115
[8] стоячие волны: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%BE%D1%8F%D1%87%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0
[9] давлением звука: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F
[10] обратного распространения ошибки: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%BE%D1%88%D0%B8%D0%B1%D0%BA%D0%B8
[11] сравнивают: https://www.youtube.com/watch?v=kbxISNL3QNY
[12] оптический пинцет: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BF%D0%B8%D0%BD%D1%86%D0%B5%D1%82
[13] дорогостоящий: https://blocklab.stanford.edu/optical_tweezers.html
[14] вокселей: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BA%D1%81%D0%B5%D0%BB
[15] предлагают: https://www.sciencenews.org/article/these-sound-waves-can-levitate-and-move-particles-new-ways
[16] создали: https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/08/researchers-have-developed-a-new-printing-technology-that-uses-sound-waves/
[17] использует: https://phys.org/news/2018-05-levitate-droplets-contaminant.html
[18] лазерно-искровой эмиссионной спектрометрией: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE-%D0%B8%D1%81%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%8F
[19] плазмы: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B0
[20] Gaetano Virgallito: https://www.flickr.com/photos/gaetanovirgallito/15345813805/
[21] CC BY-ND: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/
[22] использует: https://gizmodo.com/scientists-made-beautiful-holograms-using-sound-1786907747
[23] например: https://phys.org/news/2016-08-acoustic-levitation-large-sphere.html
[24] InSight впервые записал звуки марсианского ветра: https://t.me/audiomaniaRU/683
[25] Восемь аудиотехнологий, которые попадут в зал славы TECnology в 2019 году: https://www.audiomania.ru/content/art-6362.html
[26] Как превратить компьютер в радио, и другие способы извлечь музыку из выч. систем: https://www.audiomania.ru/content/art-6280.html
[27] Источник: https://habr.com/ru/post/437438/?utm_campaign=437438
Нажмите здесь для печати.