От редакции LJ Media

 

Телекинез – бесконтактное передвижение предметов – стал доступен в реальности. Правда, физики предлагают двигать предметы не силой мысли, а звуковыми полями. Как манипулировать объектами в жидкости или газе с помощью ультразвука, специальной программы и 3D-принтера, рассказывает Indicator.Ru.

Ученые из Института Макса Планка и Университета Штутгарта смогли получить на пластиковой форме изображение голубя с оливковой ветвью, воздействуя на наночастицы ультразвуком. Новый метод получения «акустических голограмм», о котором сообщает журнал Nature, гораздо быстрее, намного дешевле и позволяет создавать изображения в сто раз более точные, чем существующие аналоги.

Коммунизм для пикселей

Чтобы создать звуковое поле с желаемыми параметрами, используя существующие методы, нужно задействовать целый ряд устройств, переводящих электрический сигнал в звуковой. На каждый отдельный пиксель изображения, получаемого с помощью группируемых, например, в жидкости наночастиц, требовался отдельный фазированный преобразователь, посылающий этому пикселю свои волны индивидуально. Вся эта система должна быть тщательно скоординирована, соединена и скрупулезно настроена, но даже при идеально точной установке размер производимого звукового поля был сильно ограничен. Преимуществом же была возможность создавать динамическое изображение, которое может меняться в реальном времени.

Теперь же исследователи научились создавать цельную «акустическую голограмму», управляемую волнами ультразвука из одного источника. После такой революции в этой области каждый пиксель больше не может надеяться на личный преобразователь и целую систему, предназначенную только ему. Отныне ученым требуется всего один преобразователь, генератор и усилитель, и пиксели будут вынуждены их делить на всех. Но как при таком подходе точность голограммы увеличивается в 100 раз? Настолько повысить производительность труда сложнее, чем закончить пятилетку за четыре года.

Как двигать звуком

Когда звуковая волна входит в жидкость, по этой жидкости начинают распространяться колебания давления, изменяющиеся со временем и в пространстве. Для управления взвешенными в жидкости частицами важны оба вида изменений. Со временем давление будет изменяться на протяжении одного колебания. Частица начинает вибрировать, но слишком быстро, чтобы сдвинуться с места. Однако это влияние нельзя не учитывать: через много циклов возбуждения и затухания вибраций эти силы наконец приведут ее в движение.

Сочетая этот эффект с изменением давления в разных областях пространства, можно заставить частицы отправляться на предназначенные для них места с помощью звуковых волн, что позволяет сортировать объекты, двигать их и создавать узоры.


Звуковые волны, созданные акустической голограммой, двигают кораблик по поверхности воды. Источник: Alejandro Posada

Дополнительные усложнения предлагают еще больше возможностей: если два набора преобразователей поместить перпендикулярно друг другу, можно создать решетку из ячеек, в которых колебания происходят в разных фазах. Меняя фазу каждого преобразователя, можно сдвигать эти ячейки, перетаскивать в них пойманные частицы и контролировать их траекторию.

Заменить всю эту систему можно напечатанной на 3D-принтере формой – монолитным элементом с четкими контурами. Звуковая волна из единственного преобразователя проходит сквозь жидкость и элемент в ней, а время, которое на это требуется, определяется толщиной объекта. Если толщина не одинаковая на всем его протяжении, фазы проходящих сквозь него волн будут различаться.

Границы возможностей

При такой простоте физики могут позволить себе точечный контроль над происходящим: точность ограничена не размером преобразователя, а разрешением 3D-печати. Раньше менять положение частиц можно было, регулируя фазы волн в преобразователе, но в новой модели путь частицы предопределен, поэтому изменения фазы должны быть рассчитаны заранее. Для построения «акустической голограммы» этим методом необходимо предварительно рассчитать траекторию частиц, однако упрощение других частей процесса так значительно, что это усложнение целесообразно.

Чтобы показать возможности своей технологии, группа немецких ученых заставила частицы в жидкости собраться в изображение голубя мира с оливковой ветвью.


Источник: Kai Melde

Также исследователи показали, что контролировать траекторию можно с помощью частиц, постоянно движущихся вокруг, а также используя эти частицы для рисования очертаний.

Данный метод может позволить не только рисовать картинки и дирижировать танцами частиц: трехмерные ультразвуковые поля могут управлять движением клеток в чашке Петри или создавать в жидкости микроскопические ячейки с разными химическими условиями, формировать изображения высокого разрешения и избирательного нагрева.

Автор – Екатерина Мищенко

---