Главная » Хабрахабр » Балет в воздухе: управляемая левитация частиц за счет звуковых волн

Балет в воздухе: управляемая левитация частиц за счет звуковых волн

Во-первых, что это фильм ужасов, а во-вторых, что в вакууме не распространяется то, к чему многие из нас привыкают буквально с рождения, а именно звук. «В космосе никто не услышит твоего крика» — эта знаменитая фраза из не менее знаменитого фильма «Чужой» (1979 год) буквально с порога говорит нам о двух вещах. А что если бы могли? Звуковые волны окружают нас всегда и везде, хоть мы их и не видим. Настроил прибор, выбрал частоту и вуаля — объект перемещается так, как вам угодно. Точнее сказать, а что если бы звук можно было использовать как «телекинетическую» силу? Как ученым удалось из микрочастиц сделать Копперфильдов, насколько технология работоспособна и какое применение ей видят сами ученые? Сегодня мы с вами рассмотрим исследование новой технологии под названием голографический акустический пинцет, с помощью которой ученые заставили частицы левитировать по указанному ими паттерну. Поехали. На эти и другие вопросы будем искать ответы в докладе исследовательской группы.

Основа исследования

ГОП начал свой успешный путь еще в 1986 году. Ученые сравнивают свою технологию голографического акустического пинцета (далее ГАП) с ее кузеном ГОП (занятная аббревиатура) — голографический оптический пинцет. По сути своей ГОП позволяет манипулировать отдельными частицами посредством лазерного излучения. С тех пор эта технология принимает активное участие и в медицине, и в исследовании ДНК, и в создании трехмерных проекций. ГАП же делает то же самое, но используя звуковые волны (точнее ультразвук) вместо света.

На данный момент левитация частиц может быть реализована в воздухе и в воде. Габариты объектов, которые можно заставить летать словно пчел под гипнозом, составляет от 1 мкм до 1 см и более, что довольно внушительно. Исследователи работают над ГАП не ради праздного любопытства, а в надежде создать новый инструмент медицинского назначения. Однако ученые говорят и о возможности реализации данной технологии для работы внутри биологических объектов, то есть внутри тела человека, к примеру.

Таким образом ГАП становится отличным вариантом для работы в устройствах на клеточном уровне. Стоит отметить и то, что у ГАП сила акустического излучения на единицу входящей мощности на пять порядков выше, чем у оптического пинцета.

В данном же исследовании реализована технология, позволяющая перемещать отдельные частицы по индивидуальному паттерну (маршруту). Исследователи отмечают, что ранее уже была реализована возможность позиционировать частицы в нужном положении за счет звуковых волн, но группами. Максимум, что было ранее реально это манипулировать индивидуально только двумя частицами воды в двумерном пространстве посредством колец эмиттеров в микрофлюидной камере. Одну отправили налево, другую вверх, третью вниз и т.д.

Исследователи использовали ультразвуковую фазированную решётку*, контролируя ее излучаемое поле посредством алгоритма. Здесь же все реализовано несколько иначе.

Ультразвуковая фазированная решётка* — устройство, с помощью которого можно менять положение фокуса или создавать несколько фокусов при этом не перемещая саму решетку.

Алгоритм, что используется в ГОП технологии, не подходит для акустического пинцета. В оптике достаточно просто сфокусироваться на частицу для ее захвата. В акустике же захватить можно только частицы, акустический импеданс* которых меньше, чем у окружающей среды. Другими словами у частиц должен быть «отрицательный контраст».

отношение амплитуды звукового давления к колебаниям объемной скорости. Акустический импеданс* — акустическое сопротивление среды, т.е.

Однако большинство частиц как в воздухе, так и в воде будут иметь положительный контраст. Соответственно, захват частиц за счет звуковых волн возможен только в определенных участках стоячей волны (в узлах), в сосредоточенных вихрях* и т.д.


Красными точками отмечены узлы стоячей волны.

Сосредоточенные вихри* — вихревые трубки крайне малой интенсивности с бесконечно малым диаметром, рядом с которыми жидкость начинает двигаться относительно них по окружностям.

Посему исследователи использовали алгоритм итеративного обратного распространения (IB), чтобы вычислить эмиссионные фазы для элементов решетки.

А в качестве «летчиков-испытателей» выступили шарики полистирола диаметром от 1 до 3 мм.

Демонстрация работы установки с частицами в воздухе (невероятно круто, как по мне).

Результаты исследования

Когда звуковой луч фокусируется на частице, расположенной на такой поверхности, возникает локальная стоячая волна с первым узлом в положении λ/4 над поверхностью (изображение №1). В начале первого испытания частицы были неподвижно расположены на рефлекторной поверхности. В этом узле во всех трех измерениях сходятся силы, необходимые для захвата частицы. Это связано с интерференцией между входящим и отраженным полем. Для манипуляций с несколькими частицами одновременно необходимо создавать сразу несколько фокусов, что приводит к захвату частиц в узлах, возникающих выше рефракции.


Изображение №1

А эмиссионные фазы, в свою очередь, динамически управляют передвижением фокуса, как следствие, и передвижением частиц. И тут нужен вышеописанный алгоритм, который позволит отмечать точки фокусировки положения частиц.

Таким образом минимальное расстояние между частицами составило 1. Использование IB алгоритма, по словам ученых, гарантирует, что амплитуды давления на фокусе максимизированы, а отклонение между различными точками минимизировано. 5λ), независимо от числа манипулируемых частиц. 3 см (1.

Демонстрация манипуляции 10 частиц в воздухе на высоте λ/4 над рефлектором.

Уменьшение расстояния между частицами приводит к слиянию фокусировки, что не дает возможности манипулировать частицами индивидуально.

5 Вт входной мощности, что позволило манипулировать одновременно 12 частицами индивидуально. Уровень сигнала возбуждения составил 10 Vpp (volts peak-to-peak)* при 9. Если же сигнал увеличить до 16 Vpp, то число манипулируемых частиц составит 25.

Vpp (volts peak-to-peak)* — это пиковое напряжение сигнала, измеряемое от верхушки волны до ее низа.

Так при попытке захвата 28 частиц начали возникать нежелательные артефакты, сила которых была равна силе точек захвата. Исследование также показало, что увеличение мощности никак не влияет на максимальное число возможных манипулируемых частиц.


Демонстрация манипулирования 25 частиц.

ГАП также удалось использовать для генерации одновихревых лучей для захвата и передачи орбитальных импульсных моментов.


Три независимых вихря частиц.

Система позволяет генерировать сразу несколько вихрей с независимой хиральностью, используя IB алгоритм.

На данном видео видно три отдельных вихря на водной поверхности, хиральность которых изменялась учеными в реальном времени.

Однако минимальное расстояние, которое смогли получить ученые, составило 1. Расстояние между вихрями намеренно было большим, чтобы лучше рассмотреть процесс. 6λ), а максимальное число одновременных вихрей — 5. 4 см (1.

Также удалось соединить силу двойной ловушки и вихрь, однако такой метод не позволил частице долго левитировать, поскольку такая совместная сила в 30 раз слабее латеральных сил. Также ученые проверили теорию акустических двойных ловушек, воссоздав таковые в своей системе (видео ниже).

Двойные ловушки + вихри.

Данная конфигурация системы позволила реализовать одновременно 7 двойных ловушек, минимальное расстояние между которыми составило примерно 1. Также на видео показано, что ориентация всех четырех частиц отличается, и ее можно изменять путем вращения двойных ловушек. 4λ.

Для этого ученые использовали двухстороннюю решетку из двух противоположно направленных решеток (16х16 эмиттеров), разделенных пространством в 23 см (26. Осталось проверить трехмерную манипуляцию. 7λ), что позволяет получить несколько стоячих волн с узлами, расположенными в нужных позициях.


Трехмерная манипуляция 12 частиц.

В случае с ГАП это число меньше (12 частиц), ввиду габаритов установки (16х16), пространственной дискретизации и уровней давления. Используя голографический оптический пинцет можно достичь трехмерной манипуляции сразу 27 частиц. Некоторые из них «выскальзывали» из захвата, поскольку его сила увеличивалась ради повышения сопротивления колебаниям частиц в воздухе. Однако ученым удалось достичь частичного контроля над 25 частицами.

Для более детального ознакомления с исследованием (расчеты, работа алгоритма, методики) советую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Очень много внимания в научном сообществе уделяется оптике и изучению ее составляющих, выявлению новых способов применения и реализации тех или иных оптических аспектов. Звук не так прост, как кажется на первый взгляд (странная фраза получилась). Однако в акустике не мало своих интересностей, которые могут не только удивить, но и быть невероятно полезными.

Создание технологии способной направить частицу (например, лекарство) в необходимый участок тела человека не применяя инвазивное вмешательство — вот основная задача сего исследования. Сами ученые в своем исследовании говорят о том, что их труд нацелен на реализацию в медицине. Не говоря уже о том, что сами частицы могут быть невероятно малых размеров, что открывает новые возможности не только в лечении, но и в изучении сложных биологических систем.

Конечно, многое еще предстоит подкрутить, подправить и усовершенствовать, но первые шаги уже сделаны. Новая установка уже показала хорошие результаты. Когда эти цели связаны с благополучием человека, исследование и те, кто его проводит, заслуживают двойного уважения. Такие труды заслуживают особого внимания не только своей крутостью и невероятностью реализации, но и целями, которые преследуют ученые.

0 Эпилог 2.

Много было невероятных, удивительных, а порой просто забавных исследований, открытий, трудов и теорий. Дорогие мои читатели, сегодня мы видимся (точнее читаемся) с вами заключительный в этом году раз. И это хорошо. Я уверен, что следующий год подарит нам еще больше научных изысканий. Наука развивается, а мы развиваемся вместе с ней.

Увидимся в следующем году, ребята. Как бы вы не отмечали приход нового года (а может вообще никак), не забывайте про близких, берегите их, любите и будьте любимы, оставайтесь любопытствующими, цените каждый момент, не тратьте время на негативные эмоции (нервные клетки очень медленно восстанавливаются) и будьте счастливы.

И не думайте, что я забыл про пятничный, а сейчас еще и предновогодний, оффтоп:

Хоть это и реклама, но сам ролик невероятно красивый и очень трогательный. Да и девиз правильный — «Получайте больше отдавая».

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до 1 января бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

MIDI-router на Raspberry Pi

Хочу рассказать о том, как решить проблему, которая наверняка знакома любителям аппаратных синтезаторов. Причем, по понятным причинам хочется все это сделать не используя компьютер. Что делать, если хочется состыковать MIDI-контроллер и синтезатор, но у одного из них есть только USB ...

DynamicData: Изменяющиеся коллекции, шаблон проектирования MVVM и реактивные расширения

В феврале 2019 года состоялся релиз ReactiveUI 9  —  кроссплатформенного фреймворка для построения приложений с графическим пользовательским интерфейсом на платформе Microsoft .NET. ReactiveUI  — это инструмент для тесной интеграции реактивных расширений с шаблоном проектирования MVVM. Знакомство с фреймворком можно начать с ...