Es ist kein Mattel-Hoverboard. Ein Gerät, das von einem Team in Spanien und Großbritannien gebaut wurde, kann kleine Objekte in der Luft und möglicherweise in Wasser und menschlichem Gewebe mithilfe hochfrequenter Schallwellen schweben und manipulieren. Die Technologie ist in einer Vielzahl von Bereichen vielversprechend, von der Medizin bis zur Weltraumforschung.
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Wissenschaftler wussten bereits, dass Schallwellen unter Druck stehende Luftblasen erzeugen, die auf ein Objekt eine Kraft ausüben können, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Es gibt zwar Ultraschall-Levitationsgeräte, aber alle sind auf stehende Wellen angewiesen, die entstehen, wenn zwei Schallwellen mit der gleichen Frequenz aus entgegengesetzten Richtungen ausgesendet und einander überlagert werden. Das bedeutet, dass für alle vorherigen Geräte zwei Wandlersätze erforderlich sind.
„Alle bisherigen Levitatoren mussten das Partikel mit akustischen Elementen umgeben, was für einige Manipulationen umständlich war“, sagt Studienleiter Asier Marzo von der Public University of Navarre in Spanien. „Unsere Technik erfordert jedoch nur Schallwellen von einer Seite. Es ist wie mit einem Laser - Sie können Partikel schweben lassen, aber mit einem einzigen Strahl. “
Marzo und seine Kollegen ließen sich bei der Entwicklung ihrer Technologie von visuellen Hologrammen inspirieren, bei denen ein Lichtfeld von einer ebenen Oberfläche projiziert wurde, um eine Reihe von „Interferenzmustern“ zu erzeugen, die ein 3D-Bild bilden. Schallwellen können auch Interferenzmuster erzeugen, sodass dasselbe Prinzip angewendet werden kann.
„Grundsätzlich haben wir das Prinzip der Lichthologramme kopiert, um diese akustischen Hologramme zu erstellen“, sagt Marzo, dessen Team ihre Arbeit diese Woche in Nature Communications beschreibt .
Marzo und sein Team arrangierten 64 kleine 16-Volt-Wandler in einem gitterartigen Muster. Jeder Wandler wurde so kalibriert, dass er Schallwellen mit 40.000 Hertz aussendet, eine Frequenz, die die maximale Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs (20.000 Hz) bei weitem überschreitet, jedoch für andere Tiere wie Hunde, Katzen und Fledermäuse hörbar ist.
Obwohl die Frequenz und Leistung jedes Wandlers identisch waren, entwickelten die Wissenschaftler einen Algorithmus, der die relativen Spitzen und Täler jeder Welle variierte, um Interferenzmuster zu erzeugen und akustische Objekte zu erzeugen.
Die Herausforderung bestand darin, dass diese akustischen Objekte für den Menschen unhörbar und unsichtbar waren. Daher musste das Team verschiedene Simulationen entwickeln, um den Klang „sehen“ zu können. In einem Ansatz, der jeden Synästheten stolz machen würde, verwendete Marzo ein Mikrofon, um die von den Wandlern ausgesendeten Ultraschallwellen abzutasten, und führte die Daten dann einem 3D-Drucker zu, mit dem digitale Visualisierungen der Hörobjekte erstellt wurden.
Nach dem Testen einer Vielzahl von akustischen Formen entdeckte das Forscherteam drei, die am effektivsten waren: die Zwillingsfalle, die einer Pinzette ähnelt; die Wirbelfalle, analog zu einem Tornado, der ein sich drehendes Objekt in seiner Mitte aufhängt; und die Flaschenfalle, die das Objekt im leeren Raum innerhalb der Flasche schwebt.
Obwohl das derzeitige Experiment nur kleine Styroporperlen anhob, glaubt Marzo, dass die Technologie für verschiedene Objekte skaliert werden kann, indem die Frequenz der Schallwellen manipuliert wird, die die Größe der akustischen Objekte sowie die Gesamtleistung des Systems bestimmen, die dies zulässt das Schweben von leichteren oder schwereren Gegenständen über größere Entfernungen.
„Das Schweben von Partikeln mit einseitigen Wandlern ist ein erstaunliches Ergebnis, das der akustischen Schwebetechnik neue Möglichkeiten eröffnet“, sagt Marco Aurélio Brizzotti Andrade, Assistenzprofessor für Physik an der Universität von São Paulo, der zuvor an schallbasierten Schwebeverfahren gearbeitet hat .
"Eine Anwendung der Verkleinerung ist die In-vivo- Manipulation, dh das Schweben und Manipulieren von Partikeln im Körper", sagt Marzo. "Und diese Partikel könnten Nierensteine, Gerinnsel, Tumore und sogar Kapseln für eine gezielte Arzneimittelabgabe sein." Die Ultraschallschwebung beeinträchtigt die Magnetresonanztomographie nicht, sodass Ärzte die Wirkung während der In-vivo- Manipulation sofort abbilden können.
Und wenn es um diese Mikromanipulationen im menschlichen Körper geht, hat die einseitige Strahlentechnologie einen enormen Vorteil gegenüber der zweiseitigen Stehwellentechnologie. Für den Anfang können Levitationsgeräte, die auf stehenden Wellen basieren, versehentlich mehr Partikel als die beabsichtigten Ziele einfangen. „Bei einseitigen Levitatoren gibt es jedoch nur einen einzigen Einklemmpunkt“, sagt er.
Marzo weist jedoch darauf hin, dass Ultraschall nur begrenzt in der Lage ist, größere Objekte schweben zu lassen: „Zum Aufnehmen eines wasserballgroßen Objekts sind 1.000 Hz erforderlich. Aber das geht in den hörbaren Bereich, der für das menschliche Ohr ärgerlich oder sogar gefährlich sein kann. “
Die Technologie hat auch einige vielversprechende Anwendungen im Weltraum, wo sie größere Objekte in geringerer Schwerkraft aufhängen und verhindern kann, dass sie unkontrolliert herumdriften. Aber Marzo weist jegliche Vorstellung von einem Star Trek- ähnlichen Traktorstrahl zurück, der Menschen auf der Erde manipulieren kann.
Unter normalen Umständen wäre „die Kraft, die zum Heben eines Menschen erforderlich ist, wahrscheinlich tödlich“, sagt Marzo. „Wenn Sie eine Flüssigkeit mit zu viel Ultraschall beaufschlagen, entstehen Mikrobläschen.“ Mit anderen Worten, zu viel Schall kann Ihr Blut zum Kochen bringen.
In zukünftigen Studien hofft Marzo, mit Ultraschallspezialisten zusammenzuarbeiten, um die Technologie für medizinische Anwendungen zu verfeinern und den Ansatz für unterschiedlich große Objekte weiter auszubauen.
"Das ist das Schöne am Klang", sagt er. "Sie haben einen großen Frequenzbereich, den Sie für eine Vielzahl von Anwendungen nutzen können."
