Balet di udara: levitasi partikel yang dikendalikan karena gelombang suara

"Tidak seorang pun akan mendengar teriakan Anda di luar angkasa" - frasa terkenal dari film yang sama terkenalnya "Alien" (1979) ini secara harfiah memberitahu kita dua hal dari ambang pintu. Pertama, bahwa ini adalah film horor, dan kedua, bahwa dalam ruang hampa tidak menyebar apa yang banyak dari kita terbiasa secara harfiah sejak lahir, yaitu, suara. Gelombang suara mengelilingi kita selalu dan di mana-mana, meskipun kita tidak melihatnya. Bagaimana jika mereka bisa? Lebih tepatnya, bagaimana jika suara dapat digunakan sebagai kekuatan "telekinetik"? Siapkan perangkat, pilih frekuensi dan voila - objek bergerak sesuka Anda. Hari ini kita akan mempertimbangkan studi tentang teknologi baru yang disebut pinset akustik holografik, dengan mana para ilmuwan memaksa partikel untuk melayang sesuai dengan pola yang ditunjukkan oleh mereka. Bagaimana para ilmuwan mengatur untuk membuat Copperfields dari mikropartikel, seberapa efisien teknologi dan aplikasi apa yang dapat dilihat oleh para ilmuwan? Kami akan mencari jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Para ilmuwan membandingkan teknologi mereka dari pinset akustik holografik (selanjutnya HAP) dengan GOP sepupunya (singkatan untuk singkatan) - pinset optik holografik. GOP memulai perjalanannya yang sukses pada tahun 1986. Sejak itu, teknologi ini telah aktif terlibat dalam kedokteran, penelitian DNA, dan dalam pembuatan proyeksi tiga dimensi. Intinya, GOP memungkinkan Anda untuk memanipulasi partikel individu melalui radiasi laser. HAP melakukan hal yang sama, tetapi menggunakan gelombang suara (atau lebih tepatnya USG) alih-alih cahaya.

Dimensi objek yang dapat dibuat untuk terbang seperti lebah di bawah kisaran hipnosis dari 1 mikron hingga 1 cm atau lebih, yang cukup mengesankan. Pada saat ini, levitasi partikel dapat direalisasikan di udara dan air. Namun, para ilmuwan juga berbicara tentang kemungkinan penerapan teknologi ini untuk bekerja di dalam benda biologis, yaitu di dalam tubuh manusia, misalnya. Para peneliti bekerja pada HAP bukan untuk rasa ingin tahu, tetapi dengan harapan menciptakan alat medis baru.

Perlu dicatat bahwa HAP memiliki daya radiasi akustik per unit daya input yang lima kali lipat lebih tinggi dari pada pinset optik. Dengan demikian, HAP menjadi pilihan yang sangat baik untuk bekerja di perangkat di tingkat seluler.

Para peneliti mencatat bahwa sebelumnya sudah dimungkinkan untuk memposisikan partikel di posisi yang tepat karena gelombang suara, tetapi dalam kelompok. Dalam studi ini, sebuah teknologi diimplementasikan yang memungkinkan Anda untuk memindahkan partikel individu di sepanjang pola individu (rute). Satu dikirim ke kiri, yang lain naik, yang ketiga ke bawah, dll. Maksimum yang sebelumnya mungkin adalah untuk memanipulasi secara individu hanya dua partikel air dalam ruang dua dimensi dengan menggunakan cincin emitor dalam ruang mikrofluida.

Di sini semuanya diimplementasikan sedikit berbeda. Para peneliti menggunakan array bertahap ultrasonik * , mengendalikan medan pancarannya melalui suatu algoritma.

Array bertahap ultrasonik * - perangkat yang dengannya Anda dapat mengubah posisi fokus atau membuat beberapa trik sambil tidak memindahkan array itu sendiri.

Algoritma yang digunakan dalam teknologi GOP tidak cocok untuk pinset akustik. Dalam optik, hanya memfokuskan pada partikel untuk menangkapnya sudah cukup. Dalam akustik, bagaimanapun, hanya partikel yang dapat ditangkap yang impedans akustik * lebih kecil dari pada lingkungan. Dengan kata lain, partikel harus memiliki "kontras negatif".

Impedansi akustik * adalah impedansi akustik medium, mis. rasio amplitudo tekanan suara terhadap fluktuasi kecepatan ruang.

Namun, sebagian besar partikel di udara dan air akan memiliki kontras positif. Dengan demikian, penangkapan partikel karena gelombang suara hanya dimungkinkan pada bagian tertentu dari gelombang berdiri (dalam node), dalam vortisitas pekat * , dll.


Titik merah menandai node dari gelombang berdiri.

Vortisitas terkonsentrasi * - tabung vortex dengan intensitas sangat rendah dengan diameter sangat kecil, di sebelah mana cairan mulai bergerak di sekitarnya dalam lingkaran.

Oleh karena itu, para peneliti menggunakan algoritma backpropagation (IB) iteratif untuk menghitung fase emisi untuk elemen kisi.

Dan sebagai "pilot uji" adalah bola polistiren dengan diameter 1 hingga 3 mm.


Peragaan instalasi dengan partikel di udara (sangat keren, seperti untuk saya).

Hasil penelitian

Pada awal pengujian pertama, partikel-partikel itu tidak bergerak di permukaan refleks. Ketika berkas suara berfokus pada partikel yang terletak di permukaan seperti itu, gelombang lokal berdiri muncul dengan simpul pertama di posisi λ / 4 di atas permukaan (gambar No. 1). Ini karena gangguan antara bidang yang masuk dan yang direfleksikan. Di situs ini, dalam ketiga dimensi, kekuatan yang diperlukan untuk menangkap partikel bertemu. Untuk memanipulasi beberapa partikel pada saat yang sama, perlu untuk membuat beberapa fokus sekaligus, yang mengarah pada penangkapan partikel di situs yang timbul di atas refraksi.


Gambar No. 1

Dan di sini kita membutuhkan algoritma yang dijelaskan di atas, yang akan memungkinkan kita untuk menandai titik fokus dari posisi partikel. Dan fase emisi, pada gilirannya, secara dinamis mengontrol pergerakan fokus, sebagai akibatnya, dan pergerakan partikel.

Penggunaan algoritma IB, menurut para ilmuwan, memastikan bahwa amplitudo tekanan pada fokus dimaksimalkan, dan penyimpangan antara titik yang berbeda diminimalkan. Dengan demikian, jarak minimum antara partikel adalah 1,3 cm (1,5λ), terlepas dari jumlah partikel yang dimanipulasi.


Demonstrasi manipulasi 10 partikel di udara pada ketinggian λ / 4 di atas reflektor.

Mengurangi jarak antara partikel menyebabkan fusi fokus, yang membuatnya tidak mungkin untuk memanipulasi partikel secara individual.

Level sinyal eksitasi adalah 10 Vpp (volts peak-to-peak) * pada daya input 9,5 W, yang memungkinkan untuk memanipulasi 12 partikel secara bersamaan secara bersamaan. Jika sinyal ditingkatkan menjadi 16 Vpp, maka jumlah partikel yang dimanipulasi adalah 25.

Vpp (volts peak-to-peak) * adalah tegangan puncak suatu sinyal, diukur dari atas gelombang ke dasarnya.

Studi ini juga menunjukkan bahwa peningkatan daya tidak mempengaruhi jumlah maksimum partikel yang dimanipulasi. Jadi ketika mencoba menangkap 28 partikel, artefak yang tidak diinginkan mulai muncul, kekuatannya sama dengan kekuatan titik tangkap.


Demonstrasi manipulasi 25 partikel.

HAP juga berhasil digunakan untuk menghasilkan balok vortex tunggal untuk menangkap dan mentransmisikan momen pulsa orbital.


Tiga vortisitas partikel yang independen.

Sistem ini memungkinkan menghasilkan beberapa vortisitas dengan chirality independen sekaligus menggunakan algoritma IB.


Video ini menunjukkan tiga vortisitas yang terpisah di permukaan air, yang chiralitasnya diubah oleh para ilmuwan secara real time.

Jarak antara vortisitas itu sengaja besar untuk melihat proses dengan lebih baik. Namun, jarak minimum yang bisa didapat para ilmuwan adalah 1,4 cm (1,6λ), dan jumlah maksimum vortis simultan adalah 5.

Para ilmuwan juga menguji teori perangkap ganda akustik dengan menciptakan kembali mereka dalam sistem mereka (video di bawah). Mungkin juga untuk menggabungkan kekuatan perangkap ganda dan pusaran, namun, metode ini tidak memungkinkan partikel melayang untuk waktu yang lama, karena gaya sambungan seperti itu 30 kali lebih lemah dari gaya lateral.


Perangkap ganda + angin puyuh.

Video ini juga menunjukkan bahwa orientasi keempat partikel berbeda, dan dapat diubah dengan memutar perangkap ganda. Konfigurasi sistem ini memungkinkan untuk secara bersamaan mewujudkan 7 perangkap ganda, jarak minimum di antaranya sekitar 1,4λ.

Masih untuk memverifikasi manipulasi tiga dimensi. Untuk melakukan ini, para ilmuwan menggunakan kisi dua sisi dari dua kisi yang diarahkan secara berlawanan (16x16 emitor) yang dipisahkan oleh ruang 23 cm (26,7 26), yang memungkinkan seseorang untuk mendapatkan beberapa gelombang berdiri dengan node yang terletak di posisi yang diinginkan.


Manipulasi tiga dimensi dari 12 partikel.



Dengan menggunakan pinset optik holografik, Anda dapat mencapai manipulasi tiga dimensi dari 27 partikel sekaligus. Dalam kasus HAP, jumlah ini lebih sedikit (12 partikel), karena dimensi pemasangan (16x16), diskritisasi spasial, dan tingkat tekanan. Namun, para ilmuwan berhasil mencapai kontrol parsial atas 25 partikel. Beberapa dari mereka "menyelinap" keluar dari cengkeraman, karena kekuatannya meningkat untuk meningkatkan ketahanan terhadap getaran partikel di udara.

Untuk seorang kenalan yang lebih terperinci dengan studi ini (perhitungan, operasi algoritma, metode), saya menyarankan Anda untuk melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Suara itu tidak sesederhana seperti yang terlihat pada pandangan pertama (frasa aneh ternyata). Banyak perhatian dalam komunitas ilmiah dibayar untuk optik dan studi tentang komponennya, identifikasi metode aplikasi baru dan implementasi aspek optik tertentu. Namun, dalam akustik ada banyak hal menarik yang tidak hanya mengejutkan, tetapi juga sangat berguna.

Para ilmuwan sendiri dalam penelitian mereka mengatakan bahwa pekerjaan mereka ditujukan untuk implementasi dalam kedokteran. Penciptaan teknologi yang mampu mengarahkan partikel (misalnya, obat) ke bagian penting dari tubuh manusia tanpa intervensi invasif adalah tugas utama penelitian ini. Belum lagi fakta bahwa partikel itu sendiri bisa sangat kecil, yang membuka kemungkinan baru tidak hanya dalam perawatan, tetapi juga dalam studi sistem biologis yang kompleks.

Instalasi baru sudah menunjukkan hasil yang baik. Tentu saja, masih banyak yang harus diperketat, ditingkatkan dan ditingkatkan, tetapi langkah-langkah pertama telah diambil. Karya-karya seperti itu patut mendapat perhatian khusus tidak hanya karena kecuraman dan ketidakmungkinan implementasi, tetapi juga untuk tujuan yang ditempuh oleh para ilmuwan. Ketika tujuan-tujuan ini terkait dengan kesejahteraan manusia, penelitian dan orang-orang yang melakukan hal itu layak dihormati ganda.

Epilog 2.0

Pembaca yang budiman, hari ini kita melihat (atau lebih tepatnya membaca) bersama Anda saat terakhir tahun ini. Ada banyak studi, penemuan, karya, dan teori yang luar biasa, luar biasa, dan terkadang lucu. Saya yakin tahun depan akan memberi kita lebih banyak penelitian ilmiah. Dan itu bagus. Ilmu pengetahuan berkembang, dan kami berkembang seiring dengan itu.

Tidak peduli bagaimana Anda merayakan kedatangan tahun baru (atau mungkin tidak sama sekali), jangan lupakan yang dicintai, rawat mereka, cintai dan dicintai, hargai setiap saat, jangan buang waktu dengan emosi negatif (sel-sel saraf pulih dengan sangat lambat) dan menjadi senang Sampai jumpa tahun depan kawan.



Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga 1 Januari gratis jika dibayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?