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Físicos desarrollan una nueva forma de levitar objetos utilizando solo sonido

Ingenieros japoneses han descubierto cómo levantar objetos de superficies reflectantes mediante levitación acústica. Aunque todavía no pueden hacerlo de manera confiable, el avance podría ayudar a desbloquear todo el potencial de la manipulación de objetos físicos usando nada más que sonido.

Levitación mediante matrices de transductores hemisféricos. Crédito: The Japan Society of Applied Physics.

La ingeniería biomédica, la nanotecnología y el desarrollo de fármacos son algunos de los campos en los que manipular objetos sin tocarlos es potencialmente realmente útil. Ya podemos hacer esto con una tecnología llamada «pinzas ópticas», que utiliza láseres para generar suficiente presión de radiación para levitar y mover partículas extremadamente pequeñas.

Las pinzas acústicas —donde la presión generada con ondas de sonido se puede usar para mover partículas— tienen el potencial de ser una herramienta aún más poderosa. Podrían usarse para manipular una gama más amplia de materiales y en tamaños más grandes, hasta la escala milimétrica.

Sin embargo, a pesar de que se descubrió por primera vez en la década de 1980, existen limitaciones significativas que impiden que las pinzas acústicas tengan una amplia aplicación práctica. Para empezar, necesita una «trampa» fiable formada por ondas sonoras.

Se pueden usar conjuntos hemisféricos de transductores acústicos para crear la trampa de sonido, pero controlarlos en tiempo real es complicado, ya que necesita crear el campo de sonido adecuado para levantar un objeto y alejarlo de los transductores.

Y se vuelve aún más complicado si hay una superficie que refleja el sonido, ya que esto puede complicar el campo sonoro.

Distribución de la presión acústica relativa en la sección transversal vertical al capturar una partícula en el centro de la matriz hemisférica (el origen). Crédito: The Japan Society of Applied Physics.

Ahora, los ingenieros Shota Kondo y Kan Okubo de la Universidad Metropolitana de Tokio en Japón, han descubierto cómo construir una matriz acústica hemisférica que pueda levantar una bola de poliestireno de 3 milímetros de una superficie reflectante.

«Proponemos una matriz de transductores ultrasónicos hemisféricos multicanal para captación sin contacto en un escenario rígido con reflexión», escribieron en su artículo. «La fase y la amplitud de cada canal se optimizan utilizando el método de reproducción de sonido. Esto crea una trampa acústica solo en la posición deseada, y la captación se puede realizar en el escenario rígido. Hasta donde sabemos, este es el primer estudio para demostrar el levantamiento sin contacto utilizando este enfoque».

Fotografía que muestra la captación de una partícula en el escenario rígido. (a) Posición inicial (b) levantamiento exitoso (c) – (f) movimiento hacia arriba. Crédito: The Japan Society of Applied Physics.

Su técnica se basa en dividir la matriz de transductores en bloques, lo que es más manejable que intentar controlar los transductores individualmente. Luego, usaron un filtro inverso para reproducir sonidos basados ​​en la forma de onda acústica. Esto ayuda a optimizar la fase y amplitud de cada canal del transductor para producir el campo acústico deseado.

Las simulaciones tridimensionales mostraron cómo y dónde se estaba generando el campo utilizando estas técnicas.

Este campo se puede mover —por supuesto— alrededor de la partícula atrapada en él. Usando esta matriz, los investigadores pudieron recoger su espuma de poliestireno de una superficie reflejada, pero de manera poco confiable —a veces la bola se dispersó lejos de la presión acústica, en lugar de quedar atrapada—.

Sin embargo, el trabajo representa un paso adelante, ya que nunca antes se había realizado la captación sin contacto desde una superficie reflectante. Hacerlo, incluso de manera poco confiable, nos muestra el camino a seguir.

«En estudios futuros se mejorará la solidez del método propuesto para el uso práctico de la captación sin contacto», concluyeron los investigadores.

Más detalles han sido publicados en Japanese Journal of Applied Physics.

Fuente: ScienceAlert. Edición: MP.

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