Не пустой звук

Управлять физическими предметами на расстоянии, абсолютно не касаясь их — тайная мечта всего человечества, если предположить, что писатели-фантасты просто описывают то, что у всех на уме.

Однако фантасты все чаще рассуждают о материях, само существование которых находится под большим вопросом, поскольку наука пока так далеко не зашла. И все же ученые кое-чего добились и научились перемещать предметы, не дотрагиваясь до них.

Исследователям из университета Токио удалось усовершенствовать технологию подъема с твердой поверхности мелких частиц с помощью звуковых волн. Вообще эта технология известна аж с 1986 года и получила название «акустический пинцет», поскольку пока речь идет о манипуляциях действительно мелкими частицами.

До недавних пор остро стояла проблема стабильности подъема частиц. Но теперь, используя адаптивный алгоритм для точной настройки управления пинцетом, исследователи значительно улучшили процесс. В дальнейшем технологию можно будет применять в широком диапазоне сред, включая космос, где нет одной важной составляющей — гравитации.

Если захотите проверить, могут ли звуковые волны воздействовать на физические предметы, то встаньте перед мощным динамиком, заткните чем-нибудь  уши, прибавьте громкость на максимум и включите что угодно, да хотя бы танец Феи Драже из балета «Щелкунчик». Гарантируем, что вы физически ощутите звуковые волны.

А если правильно настроить динамики на нужную частоту, амплитуду и фазу, то волны накладываются и формируют поле влияния, с помощью которого можно двигать, поднимать и удерживать физические объекты. Технология акустического пинцета позволит манипулировать предметами абсолютно бесконтактно, не загрязняя их.

Годом ранее доктор Шота Кондо и доцент Кан Окубо из Токийского университета представили бесконтактный подъем и перемещение миллиметровых частиц с помощью полусферического массива небольших ультразвуковых преобразователей. Каждым из преобразователей управляли индивидуально в соответствии со специальным алгоритмом. Так удалось создавать поля звукового давления, которые поднимали и перемещали объекты. Но процесс этот нельзя назвать стабильным, и это было проблемой.

И вот теперь та же команда придумала, как все исправить, ничего не меняя радикально.

Преобразователи работают в двух режимах: в фазе и вне фазы. Ученые предположили, что каждый из режимов лучше подходит для выполнения строго определенных задач.

1. Режим в фазе — для подъема и перемещения частиц близко к поверхности, с точным наведением на отдельные частицы на расстоянии сантиметра друг от друга.
2. Режим вне фазы — для перемещения поднятой частицы в центр массива.

Если переключать режимы, то можно добиться контролируемого и стабильного подъема, а также достичь стабильности внутри поля захвата уже после подъема частицы.

Это, несомненно, важный шаг вперед на пути к технологии будущего, которая однажды поможет манипулировать образцами, для которых категорически недопустимо загрязнение.

Результаты опубликованы в издании Japanese Journal of Applied Physics.

20.08.2022