Фотография, показывающая захват частицы на жестком столике: (а) успешный захват; (в)–(г) движение вверх; и (f) успешное поддержание частицы. Предоставлено: Японский журнал прикладной физики (2022 г.). DOI: 10.35848/1347-4065/ac51c4

Любой, кто стоит рядом с громкоговорителем, может подтвердить, что звуковые волны могут оказывать реальную физическую силу. При правильном расположении динамиков с правильной частотой, амплитудой и фазой становится возможным наложение этих волн и создание поля воздействия, которое может толкать, поднимать и удерживать физические объекты. Такая технология акустического пинцета обещает полностью бесконтактное и незагрязненное манипулирование мелкими предметами.

В прошлом году доктор Шота Кондо и адъюнкт-профессор Кан Окубо из Токийского столичного университета осуществили бесконтактный подъем и перемещение частиц миллиметрового размера с помощью массива полусферических небольших ультразвуковых преобразователей. Преобразователи будут управляться индивидуально в соответствии с уникальным алгоритмом, позволяющим им устанавливать поля звукового давления, которые в конечном итоге будут поднимать и перемещать объекты. Однако стабильность их «акустического пинцета» оставалась нерешенной.

(слева) Иллюстрация массива преобразователей и подъема маленькой частицы. (в центре) Различные звуковые поля, генерируемые массивом при подъеме частицы. (справа) «Акустический пинцет», поднимающий частицу и удерживающий ее на месте, пока весь массив перемещается вручную. Предоставлено: Токийский столичный университет.

Теперь та же команда придумала способ использования той же установки для достижения значительных улучшений в том, как они могут поднимать частицы с твердых поверхностей. Существует два «режима», в которых можно управлять преобразователями, когда противоположные половины их полусферической матрицы возбуждаются в фазе и в противофазе. Новое понимание команды заключается в том, что разные режимы больше подходят для выполнения определенных задач.

Начиная с частицы на поверхности, «синфазный» режим возбуждения лучше подходит для подъема и перемещения частицы близко к поверхности с точным нацеливанием на отдельные частицы, расположенные всего в сантиметре друг от друга. Между тем, режим «вне фазы» больше подходит для перемещения поднятой частицы в центр массива. Таким образом, используя адаптивное переключение между режимами, теперь они могут использовать лучшее из обоих режимов и добиться хорошо контролируемого, стабильного подъема, а также большей стабильности внутри ловушки после ее подъема.

Это важный шаг вперед для футуристической технологии, которая однажды может быть развернута для манипулирования образцами, которые необходимо содержать строго в чистоте. Команда также надеется, что когда-нибудь она найдет практическое применение в космосе, где конкуренция с гравитацией не является проблемой. Текущее исследование опубликовано в Японском журнале прикладной физики.