Ученые из Великобритании и Испании создали акустический пинцет, с помощью которого смогли выборочно управлять в воздухе двенадцатью одномиллиметровыми объектами, а также смогли перемещать 25 частиц в пространстве, разбив их на независимые группы. Разработанная система может использоваться для бесконтактной работы с микроустройствами или для создания 3D-дисплеев из левитирующих физических вокселей.

Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

В 1986 году американский ученый Артур Эшкин изобрел оптический пинцет, принцип работы которого основывался на оптической левитации. Его разработка стала базовым инструментом биологов и физиков. Оптический пинцет использует сфокусированный свет, чтобы одновременно управлять в пространстве несколькими микроскопическими объектами.

Акустический пинцет применяется в работе с более крупными частицами, размером от микрометров до сантиметров. В случае акустической левитации предметы поддерживаются с помощью ультразвуковых волн, чья сила на пять порядков больше сил в оптическом пинцете.

Акустический пинцет, как и оптический, стал полезным инструментом для ученых в областях биологии и физики: он уже применяется для управления лабораторией на чипе и проведения работ с клетками in vivo.

Уже существуют акустические пинцеты, которые могут перемещать объекты и в плоскости, и в пространстве. Например, японские ученые продемонстрировали акустическую ловушку, способную удерживать и передвигать группу частиц во всех трех направлениях, но индивидуального контроля над частицами их акустическая установка предоставить не могла.

Асьер Марзо (Asier Marzo) и Брюс Дринквотер (Bruce W. Drinkwater) разработали систему, в которой возможно одновременное и независимое управление каждой частицей из группы, превышающей десять единиц. Ученые смогли выборочно ориентировать тела, расположенные в плоскости, и независимо и одновременно перемещать частицы в пространстве.

Упрощенно установка для акустической левитации состоит из излучателя волн и поставленного напротив отражателя, которые создают стоячие волны и удерживают объекты в узлах этих волн.

Когда все звуковые источники излучают с одинаковой частотой, появляется моночастотное звуковое поле. Такое поле можно описать комплексным значением для каждой координаты в пространстве, например, AcousticField(x,y,z)=p, где p является комплексным давлением. Тогда амплитуда будет модулем давления, а фаза – аргументом. Чтобы рассчитать силы, действующие на тело (представим, что тело является сферой) в звуковом поле, нужно знать его радиус, плотность и скорость звука, а также давление в центре тела. Положение, где силы во всех трех измерениях сходятся и звуковое давление минимально, будет точкой левитации, или узлом волны. В стоячих волнах узлы образуются при наложении двух противоположно направленных волн с одинаковой амплитудой. Изменяя фазовую задержку или амплитуду излучаемых волн, можно управлять положением левитирующих частиц вдоль оси установки.

Усовершенствовав систему, Марзо и Дринквотер смогли перемещать и ориентировать объекты не только вдоль одной оси, но и в плоскости, и в пространстве. Программа для акустического пинцета, разработанная исследователями, основана на методе обратного распространения ошибки. Она вычисляет, какую фазу необходимо установить, чтобы создать точки левитации в заданном месте, и как их менять, чтобы перемещать, поворачивать, ориентировать удерживаемые тела по-отдельности.

Авторы смогли менять ориентацию любой из четырех частиц, расположенных в плоскости над отражателем, применив метод временного мультиплексирования для звуковых волн.

Изменение ориентации частицы в плоскости и соответствующее звуковое давление / Marzo, Drinkwater / PNAS, 2018

Следующим шагом стала возможность индивидуально управлять несколькими частицами в трех измерениях. Ученые установили два массива из 256 звуковых излучателей. Они составили в воздухе сетку 3х4 из одномиллиметровых частиц, затем разместили их в узлах икосаэдра и вращали фигуру. Помимо этого, ученые смогли перемещать в пространстве сразу несколько групп объектов, в сумме составляющих 25 частиц. Видео демонстрирует результаты данного исследования и предыдущих разработок авторов.

Более крупные системы смогут удерживать больше частиц, это позволит производить 3D-дисплеи из левитирующих вокселей с характеристиками, недоступными современным дисплеям. Например, голограммы, созданные на принципе акустической левитации, будут видны с любого угла зрения, независимо от местоположения зрителя.