Non è un hoverboard Mattel. Ma un dispositivo costruito da un team in Spagna e nel Regno Unito può levitare e manipolare piccoli oggetti nell'aria, e possibilmente nell'acqua e nei tessuti umani, usando onde sonore ad alta frequenza. La tecnologia è promettente in una varietà di campi che vanno dalla medicina all'esplorazione dello spazio.
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Gli scienziati sapevano già che le onde sonore creano sacche oscillanti di aria pressurizzata, che può produrre una forza su un oggetto in grado di contrastare l'attrazione della gravità. Ma mentre esistono dispositivi di levitazione ad ultrasuoni, tutti si basano su onde stazionarie, che vengono create quando due onde sonore della stessa frequenza vengono emesse da direzioni opposte e sovrapposte l'una all'altra. Ciò significa che tutti i dispositivi precedenti richiedono due serie di trasduttori.
"Tutti i precedenti levitatori dovevano circondare la particella con elementi acustici, il che era ingombrante per qualche tipo di manipolazione", afferma il leader dello studio Asier Marzo alla Public University of Navarre in Spagna. “La nostra tecnica, tuttavia, richiede solo onde sonore da un lato. È come un laser: puoi levitare le particelle, ma con un singolo raggio. "
Per sviluppare la loro tecnologia, Marzo e i suoi colleghi hanno tratto ispirazione dagli ologrammi visivi, in cui un campo luminoso viene proiettato da una superficie piana per produrre una serie di "schemi di interferenza" che formano un'immagine 3D. Le onde sonore sono anche in grado di creare schemi di interferenza, quindi è possibile applicare lo stesso principio.
"Fondamentalmente abbiamo copiato il principio degli ologrammi leggeri per creare questi ologrammi acustici", afferma Marzo, il cui team descrive il loro lavoro questa settimana in Nature Communications .
Marzo e il suo team hanno sistemato 64 piccoli trasduttori da 16 volt in uno schema a griglia. Ogni trasduttore è stato calibrato per emettere onde sonore a 40.000 Hertz, una frequenza che supera di gran lunga la massima sensibilità dell'orecchio umano (20.000 Hz) ma è udibile da altri animali come cani, gatti e pipistrelli.
Sebbene la frequenza e la potenza di ciascun trasduttore fossero identiche, gli scienziati hanno realizzato un algoritmo che variava i picchi e le depressioni relative di ciascuna onda per generare schemi di interferenza e creare oggetti acustici.
La sfida era che questi oggetti acustici erano impercettibili e invisibili agli umani, quindi il team ha dovuto sviluppare varie simulazioni per "vedere" il suono. In un approccio che renderebbe orgoglioso qualsiasi sinestesista, Marzo ha usato un microfono per campionare le onde ultrasoniche emesse dai trasduttori e quindi ha inviato i dati attraverso una stampante 3D, che hanno usato per creare visualizzazioni digitali degli oggetti uditivi.
Dopo aver testato una varietà di forme acustiche, il team di ricerca ha scoperto tre più efficaci: la doppia trappola, che ricorda una coppia di pinzette; la trappola del vortice, analoga a un tornado che sospende al centro un oggetto che ruota; e la trappola per bottiglie, che fa levitare l'oggetto nello spazio vuoto all'interno della bottiglia.
Sebbene l'attuale esperimento abbia sollevato solo piccole perle di polistirolo, Marzo ritiene che la tecnologia possa essere adattata per diversi oggetti manipolando la frequenza delle onde sonore, che determina la dimensione degli oggetti acustici, nonché la potenza complessiva del sistema, che consente la levitazione di oggetti più leggeri o più pesanti su lunghe distanze.
"La levitazione di particelle da parte dei trasduttori unilaterali è un risultato sorprendente che apre nuove possibilità per la tecnologia della levitazione acustica", afferma Marco Aurélio Brizzotti Andrade, assistente professore di fisica all'Università di San Paolo che ha precedentemente lavorato sulla levitazione basata sul suono .
"Un'applicazione del ridimensionamento è la manipolazione in vivo, che significa levitare e manipolare le particelle all'interno del corpo", afferma Marzo. "E queste particelle potrebbero essere calcoli renali, coaguli, tumori e persino capsule per l'erogazione mirata di farmaci." La levitazione ultrasonica non interferisce con la risonanza magnetica, quindi i medici potrebbero istantaneamente immaginare l'azione durante la manipolazione in vivo .
E quando si tratta di queste micromanipolazioni nel corpo umano, la tecnologia del fascio unilaterale presenta un enorme vantaggio rispetto alla tecnologia delle onde stazionarie bilaterali. Per i principianti, i dispositivi di levitazione basati su onde stazionarie possono accidentalmente intrappolare più particelle rispetto agli obiettivi previsti. "Tuttavia, con levitatori unilaterali e esiste un solo punto di intrappolamento", afferma.
Marzo sottolinea, tuttavia, che l'ecografia è limitata nella sua capacità di far levitare oggetti più grandi: “Per raccogliere un oggetto delle dimensioni di un pallone da spiaggia occorrerebbe 1.000 Hz. Ma questo entra nel raggio udibile, che potrebbe essere fastidioso o addirittura pericoloso per l'orecchio umano. "
La tecnologia ha anche alcune applicazioni promettenti nello spazio esterno, in cui può sospendere oggetti più grandi a bassa gravità e impedire che si spostino senza controllo. Ma Marzo respinge qualsiasi idea di un raggio traente simile a Star Trek in grado di manipolare gli umani sulla Terra.
In condizioni di gravità normale, "il potere necessario per sollevare un essere umano sarebbe probabilmente letale", afferma Marzo. "Se applichi troppa potenza ad ultrasuoni a un liquido, creerai microbolle". In altre parole, troppa potenza sonora può far bollire il sangue.
In studi futuri, Marzo spera di collaborare con gli specialisti degli ultrasuoni per perfezionare la tecnologia per applicazioni mediche e ampliare ulteriormente l'approccio a oggetti di dimensioni diverse.
"Questa è la cosa bella del suono", dice. "Hai una vasta gamma di frequenze che puoi utilizzare per una varietà di applicazioni."
