Οι ερευνητές δημιουργούν μια ηχητική δέσμη τρακτέρ

Χρησιμοποιώντας ένα απλό σετ μεγαφώνων, οι επιστήμονες έχουν βρει έναν τρόπο να αιωρούνται και να περιστρέφονται αντικείμενα στον αέρα. Εάν τελειοποιηθεί, αυτή η "ηχητική δέσμη τρακτέρ" θα μπορούσε να βρει χρήσεις που κυμαίνονται από τη θεραπεία λίθων στα νεφρά έως τη δημιουργία τεχνητής βαρύτητας στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό.

Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει τον ήχο για να ανυψώνουν αντικείμενα στο παρελθόν. Αυτό το κατόρθωμα δεν προκαλεί έκπληξη, καθώς ο ήχος είναι ένα κύμα πίεσης αρκετά ισχυρό για να κινήσει το τύμπανο του αυτιού σας. Ωστόσο, αντί για ηχητικό ήχο, η ηχητική αιώρηση χρησιμοποιεί υψηλότερες συχνότητες υπερήχων που είναι πέρα ​​από το εύρος της ανθρώπινης ακοής. Όταν ηχούν από μεγάφωνα στη σωστή διαμόρφωση, αυτά τα ηχητικά κύματα μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν μια ηχητική σκαλωσιά που ονομάζεται μοτίβο παρεμβολής—ένα είδος πεδίου δύναμης που μπορεί να κρατήσει ένα μικρό αντικείμενο ψηλά.

Προηγουμένως, για να σηκώσουν ένα αντικείμενο, οι επιστήμονες έπρεπε να βάλουν συστοιχίες ηχείων στις αντίθετες πλευρές του ή μια τράπεζα στη μία πλευρά και έναν ανακλαστήρα ήχου στην άλλη. Στη νέα μελέτη, που αναφέρθηκε στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature Communications , οι φυσικοί επιτυγχάνουν αιώρηση χρησιμοποιώντας μόνο ένα μπλοκ ηχείων στη μία πλευρά. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούν έναν ειδικό αλγόριθμο που υπολογίζει τα ακριβή μοτίβα παρεμβολής που απαιτούνται για την αιώρηση ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας αυτόν τον "εκπομπό μονής όψης". Η νέα τεχνική δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να μετακινήσουν το επιπλέον αντικείμενο κάθετα και πλευρικά, αλλά τους επιτρέπει επίσης να περιστρέψουν το αντικείμενο, κάτι που οι προηγούμενες τεχνικές δεν μπορούσαν να κάνουν. Επιπλέον, η μονόπλευρη ρύθμιση των ηχείων επιτρέπει την ευκολότερη πρόσβαση και τον ακριβέστερο έλεγχο του αιωρούμενου αντικειμένου.

«Είναι δύσκολο να κατανοήσουμε πόσες φορές προσπαθήσαμε και αποτύχαμε», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Bruce Drinkwater, μηχανολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο Ηνωμένο Βασίλειο. "Έχετε αυτή τη σειρά μεγαφώνων και συνεχώς εκτοξεύετε σωματίδια εκεί που πιστεύετε ότι πρέπει να αιωρούνται και στη συνέχεια τα παρακολουθείτε να πέφτουν συνεχώς." Αλλά με τη βοήθεια του αλγόριθμου, ο Drinkwater και οι συνεργάτες του κατάφεραν να υπαγορεύσουν την κίνηση της χάντρας, είτε κρεμόταν στον αέρα, είτε περιστρεφόταν στον άξονά της είτε χόρευε από πλευρά σε πλευρά. "Αφού δουλέψαμε τον [αλγόριθμο], βάλαμε [τη χάντρα] και έμεινε εκεί—ήταν απολύτως καταπληκτικό"

Ο αλγόριθμος λειτουργεί κατασκευάζοντας τα καλύτερα δυνατά μοτίβα παρεμβολής, κάτι που όχι μόνο κρατά το σφαιρίδιο να επιπλέει, αλλά το αφήνει να στρίβει και να κινείται με λίγη ελευθερία. Το μοτίβο παρεμβολής προκύπτει ρυθμίζοντας τον ακριβή συγχρονισμό ή τις «φάσεις» των κυμάτων που φεύγουν από τα διάφορα ηχεία. Ρυθμίζοντας σωστά τις διαφορές φάσης, οι ερευνητές κάνουν τα κύματα να συνδυάζονται για να ενισχύουν το ένα το άλλο σε ορισμένα σημεία και να ακυρώνουν το ένα το άλλο σε άλλα σημεία. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούν ένα σύνθετο τρισδιάστατο μοτίβο περιοχών υψηλής και χαμηλής πίεσης, το οποίο οι συγγραφείς αποκαλούν «ακουστικό ολόγραμμα», το οποίο μπορεί να υποστηρίξει τη χάντρα ενάντια στην έλξη της βαρύτητας. Καθώς ο αλγόριθμος συντονίζει τις φάσεις, το μοτίβο παρεμβολής και το προκύπτον ολόγραμμα αλλάζουν, επιτρέποντας στους ερευνητές να μετακινήσουν το σφαιρίδιο.

Ο αλγόριθμος μπορεί να δημιουργήσει ακουστικά ολογράμματα διαφόρων χωρικών διαμορφώσεων, αλλά ο Drinkwater και η ομάδα του εστίασαν σε τρία:τη «δίδυμη παγίδα», τη «δίνη» και το «μπουκάλι». Η δίδυμη παγίδα τσιμπά το αντικείμενο σαν ένα τσιμπιδάκι και επιτρέπει την περιστροφή και την κίνηση του αντικειμένου. Η δίνη, η οποία περιστρέφεται και παγιδεύει τη χάντρα στο κέντρο ενός ανεμοστρόβιλου, περιστρέφει τη χάντρα στον δικό της άξονα. Τέλος, το μπουκάλι παγιδεύει τη χάντρα σαν να βρίσκεται σε ηχητικό δοχείο, διατηρώντας τη σταθερή.

Ο Tony Jun Huang, μηχανολόγος μηχανικός στο Pennsylvania State University, University Park, λέει ότι ελπίζει ότι αυτό θα φέρει την ακουστική χειραγώγηση στο προσκήνιο. «Δεν εργάζονται πολλοί άνθρωποι σε αυτόν τον τομέα και δεν αναγνωρίζουν πολλοί τη σημασία του», λέει. Ελπίζει ότι στο μέλλον, ο Drinkwater και οι συνεργάτες του θα συνεργαστούν με βιολόγους και γιατρούς για να επιδείξουν εφαρμογές που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο να εξερευνηθούν.

Και αυτό ακριβώς ελπίζουν να κάνουν στη συνέχεια ο Drinkwater και ο Asier Marzo, πρώτος συγγραφέας και μηχανικός υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ. «Ο κύριος στόχος μου για το μέλλον είναι η in vivo αιώρηση», λέει ο Marzo. Τα υπερηχητικά κύματα μπορούν να διεισδύσουν στο σώμα σχετικά ήπια, σημειώνει, έτσι η δέσμη του ηχητικού τρακτέρ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αφαίρεση πέτρες και θρόμβους στα νεφρά, τη χορήγηση κάψουλες με φάρμακα σε διάφορα μέρη του σώματος ή τον έλεγχο μικροχειρουργικών εργαλείων. «Αυτό δεν είναι μόνο θεωρητικό πλέον», λέει ο Marzo. "Τώρα έχουμε αποδείξεις ότι μπορούμε να κάνουμε μονόπλευρη αιώρηση και αυτό ανοίγει το δρόμο για πολλές άλλες έρευνες."