Британскими учеными создана новая технология левитации объектов
Centr86.ru

Ремонт бытовой техники

Британскими учеными создана новая технология левитации объектов

3D-принтеры создали голограммы для акустической левитации

Схема эксперимента по созданию акустического поля сложной формы: печать голограммы на 3D-принтере, внешний вид голограммы и ее создание поля колебаний давления в жидкости

Физики из Института интеллектуальных систем общества Макса Планка разработали новую технику акустической голографии, позволяющую создавать звуковые поля рекордно сложных форм. Основным применением для нее авторы называют акустическую левитацию и манипуляцию миниатюрными объектами. В основе техники лежит моделирование и печать голограмм с помощью 3D-принтера. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Акустическая левитация — методика, в которой с помощью звуковых волн (они же являются волнами давления, например, в воздухе или в воде) ученые управляют движением частиц в пространстве. Такие манипуляции позволяют работать с объектами, которых по какой-то причине нельзя касаться. Например, с помощью достаточно мощных источников звука можно добиться левитации капель расплавленного металла. Для того чтобы зафиксировать левитируемый объект в пространстве, необходимо создать стоячую акустическую волну. Распределение давлений в ней словно бы не меняется со временем — изменяется лишь амплитуда волны.

Эксперимент по акустической левитации капель воды

Dan Harris / Argonne National Laboratory / Flickr

Традиционно для акустической левитации используется пара источников звука, волны от которых интерферируют, формируя стоячую волну. Однако она позволяет управлять положением частиц лишь вдоль одной оси. Если требуется создать более сложные конструкции из левитируемых объектов, инженеры используют массивы из нескольких источников звука — интерференция излучения приводит к возникновению полей давления сложной формы. Работа с такими системами требует высокой точности настройки устройств — к примеру, их рабочие частоты должны совпадать, а положение источников должно быть четко определено. С помощью такой техники в 2015 году физики создали «притягивающий луч».

Альтернативой использованию большого количества источников звука является акустическая голография. Ее традиционный оптический аналог позволяет создавать сложные световые поля с помощью одного источника света (лазера) и специальной пластинки. В последней записывается информация о направлении и фазе излучения, падающего на нее. Для создания лазерной голограммы используется лазер, часть излучения которого отражается от «записываемого» объекта, а часть напрямую падает на фоточувствительную пластинку. Результат интерференции между этими лазерными пучками и оказывается записан в пластинке.

Для создания акустических голограмм можно использовать аналогичные методики, связанные с записью интерференционных картин звуковых волн. Однако разрешение, требуемое для их создания, гораздо меньше, чем для оптических. Благодаря этому акустические голограммы можно создавать и напрямую, не имея «образца» звукового поля. В новой работе авторы продемонстрировали, что для этого можно использовать 3D-печать.

Схема создания акустической голограммы

Kai Melde et al. / Nature, 2016

На первом этапе создания голограммы физики моделировали интерференционную картину, которая возникнет при сложении записываемого звукового поля и опорного акустического излучения. Затем исследователи использовали трехмерную модель этой картины для 3D-печати голографической пластинки из обычного пластика. Для чтения голограммы пластинку закрепляли на источнике ультразвука и помещали под воду.

Авторы проверили работоспособность методики на акустических полях сложной формы. Так, ученым удалось создать стоячую волну, повторяющую по форме «Голубя мира» Пабло Пикассо, и использовать ее для самосборки частиц. Кроме того, физики показали, что с помощью той же техники можно заставить частицы двигаться по определенным траекториям и левитировать.

Движение частицы в акустическом поле, созданном с помощью голограммы (видна под частицей)

Ученые сделали большой шаг в разработке технологии левитации человека

Акустические тяговые лучи используют силу звука для захвата частиц прямо в воздухе и, в отличие от той же технологии магнитной левитации, способны захватывать большинство жидкостей и твердых веществ. Инженеры Университета Бристоля первыми доказали возможность стабильного управления относительно крупными объектами акустическим тяговым лучом, который в теории можно будет использовать, например, для перемещения лекарственных препаратов внутри организма. Их изобретение открывает путь к левитации человека.

Ранее считалось, что акустические тяговые лучи способны захватывать и перемещать только небольшие объекты, так как все предыдущие попытки уловить частицы большего размера, чем длина волны, оказались неудачными и приводили к их бесконтрольному вращению. Это происходило вследствие передачи звуковым полем вращательных движений объектам, которые начинали крутиться все быстрее и быстрее, пока в конечном итоге не отбрасывались, сообщает портал EurekAlert.

Изобретение ученых из Университета Бристоля, описанное в журнале Physical Review Letters, использует иной подход — быстрые колебания акустических воронок, звуковых вихрей, созданных из громких звуков, окружающих безмолвное ядро.

Исследователями было обнаружено, что скоростью вращения можно управлять путем быстрого изменения направления крутящего движения воронок, тем самым стабилизируя тяговый луч. Благодаря такому подходу ученые смогли увеличить размер безмолвной сердцевины, что в конечном итоге позволило удерживать более крупные объекты.

Используя ультразвук частотой 40 кГц (слышат только летучие мыши, для человека они безопасны), ученые смогли поднять в воздух двухсантиметровые шары из полистирола. Размер этих объектов оказался равен двум акустическим длинам волн, то есть больше всех предметов, которые удавалось поднять тяговым лучом до сих пор. По мнению исследователей, в будущем таким образом можно будет управлять движением гораздо более крупных объектов.

«Акустические исследования долгое время не могли преодолеть предел допустимого размера используемого вещества для левитации. Мы очень рады, что смогли преодолеть этот барьер. Я думаю, что это открывает двери для многих сфер», — прокомментировал ведущий автор статьи, доктор Асир Марзо факультета машиностроения Университета Бристоля.

«В будущем с более высокой акустической мощностью появится возможность удерживания в воздухе еще более крупных объектов. Сейчас это рассматривается возможным только при использовании более низких тонов, что делает подобные эксперименты слышимыми и опасными для людей», — добавил доктор Михай Калеап, создавший симуляционные модели для исследования.

«Звуковые тяговые лучи обладают огромным потенциалом во многих областях. Лично я особенно приветствую идею использования бесконтактной производственной линии, где очень хрупкие объекты можно будет собирать, не касаясь их», — подытожил профессор ультраакустики Брюс Дринкуотер, руководивший данным научным проектом.

У многих людей пауки вызывают ужас, потому что они мало того что страшно выглядят, так еще и могут быть ядовитыми. Но некоторых из них бояться не стоит — например, красивых пауков из рода Maratus, которые окрашены в яркие цвета и привлекают самок своими грациозными танцами. Некоторое время назад видео с ними обрели в интернете довольно […]

Читать еще:  Создана концептуальная модель багги с электроприводом

Знаете ли вы, что объединяет 99% известных на сегодняшний день живых существ, включая людей? Все они обладают особенностью, известной как двусторонняя симметрия — их тела можно разделить на левую и правую части, которые практически не отличаются. Вдобавок, тело большинство существующих сегодня организмов начинается с головы и заканчивается, как бы грубо это не звучало, задним проходом. […]

У каждого современного животного есть далекий предок, который жил миллионы лет назад. Например, земноводные существа вроде лягушек произошли от так называемых элпистостегов, которые первыми получили настоящие пальцы и научились ими пользоваться. А вот предком современных куриц и уток является древнее существо, которое в научной среде пока носит название Asteriornis maastrichtensis или же просто «чудо-курица». Останки […]

Бразильские учёные продемонстрировали устройство акустической левитации

Ученые из университета города Сан-Паулу в Бразилии завершили работу над очередным вариантом устройства акустической левитации. Они уже успели назвать свое изобретение лучшим акустическим левитатором во всем мире. Из этой новости мы узнали, что в Бразилии есть не только хорошие футболисты и музыканты, но и ученые. Если же говорить серьезно, то созданное в Бразилии устройство не только может с высокой точностью управлять положениями предметов в пространстве, но и перемещать эти предметы. Предполагается, что это поможет появлению возможности практического применения данной технологии в самых различных областях нашей жизни.

Сегодня под левитацией понимают явление, при котором предмет может парить в пространстве без видимой опоры, не касаясь краями твердой или жидкой поверхности. При этом левитацией не признается полет, который происходит за счет отталкивания от окружающего воздуха, как у птиц и насекомых. Явление левитации часто фигурирует в произведениях искусства, особенно в литературе, также его можно встретить в фильмах. Встречается оно и в сказках. Самым известным сказочным артефактом, способным к левитации, является знакомый всем ковер-самолет.

Однако вернемся к научной составляющей. Типичный акустический левитатор обладает расположенным в верхней части направленным акустическим излучателем, который может генерировать ультразвуковые волны. Данные волны, распространяясь вниз, отражаются вверх от специального параболического отражателя. Двигаясь назад, отраженные волны сталкиваются с волнами, которые движутся им на встречу. Благодаря этому возникает так называемая стоячая волна, которая обладает четко выраженными неподвижными максимумами и минимумами. Между данными областями стоячей волны образуются зоны, в которых повышено давление воздуха. Здесь возникают силы, которые в состоянии удерживать неподвижно в пространстве небольшие и легкие предметы, такие как образцы живых тканей или капли жидкостей.

Чтобы технология акустической левитации надежно работала, в классическом варианте необходимо обеспечить условие, при котором отражатель и излучатель будут полностью неподвижны и расположены на одной оси. При этом должно быть соблюдено строго определенное расстояние между ними, в противном случае звуковые колебания могут не складываться должным образом в пространстве, что не позволит создать стоячую волну. В то же время уникальная геометрическая форма отражателя, которая была придумана бразильскими учеными, позволяет созданному устройству функционировать в качестве нерезонансного акустического левитатора. Это, в свою очередь, говорит нам о том, что положение отражателя и излучателя, равно как и дистанция между ними, могут изменяться, не приводя к нарушениям работы устройства. Более того, изменение ориентации отражателя позволяет перемещать удерживаемые объекты в пространстве.

В настоящее время собранный опытный образец в состоянии удерживать лишь небольшие по размерам капли воды и шарики пенопласта размерами примерно 3 мм. Но ученые надеются, что в будущем им удастся добиться улучшения технологии. Это позволило бы им создать более совершенные устройства, которые помогут удерживать и перемещать в пространстве большие и более массивные предметы. К примеру, образцы каких-либо опасных материалов, фармацевтические препараты и те вещи, к которым человеку лучше не притрагиваться своими руками.

Естественно, в случае развития и усовершенствования подобная технология могла бы найти очень широкое применение в самых различных областях современного промышленного производства. Марко Аурелио Бриццотти Андраде, руководитель представленного проекта, отмечает, что на современных предприятиях трудится огромное количество роботов, основной задачей которых является перемещение вещей и деталей с одного места на другое. С помощью технологий акустической левитации можно было бы выполнять эти задачи, не касаясь при этом перемещаемых в пространстве предметов.

Читать еще:  Как сделать бойлер косвенного нагрева своими руками?

Работа над устройствами акустической левитации ведется не только в Бразилии. К примеру, японские ученые из Токийского университета, а также Технологического института Нагои научились успешно приводить в движение небольшие объекты при помощи сложной системы акустической левитации. В их опытах звуковые волны могли перемещать в трехмерном пространстве небольшие частицы полистирена размерами от 0,6 до 2 мм. До этого предметы при помощи подобной системы удавалось перемещать лишь в двух измерениях.

Чтобы двигать по воздуху небольшие полистиреновые частицы, маленькие кусочки древесины, капли воды и даже шурупы, было использовано 4 ряда звуковых колонок. Перечисленные объекты перемещались в пространстве во всех направлениях в тех пределах, которые допускались условиями проводимого эксперимента. Перемещение предметов и их левитацию в этом случае также обеспечивали стоячие ультразвуковые волны.

Сегодня в литературе можно встретить описание опыта, который каждый может повторить у себя дома. Для этого вам нужно будет разместить зажатую в руке полоску бумаги над ультразвуковым генератором. Разместить ее нужно таким образом, чтобы свободный конец бумажки размещался в 3-5 мм над торцом стержня, необходимо будет нажать кнопку генератора. После этого кончик бумаги, испытывая воздействие звуковой волны, пойдет вверх и неподвижно зависнет над стержнем, будет левитировать.

Аппараты, которые использовали японские специалисты, гораздо сложнее генераторов. Звуковые волны, обладающие частотой 20 кГц и неслышимые человеческим ухом, исходили с 4-х сторон и пересекались внутри заданного ограниченного пространства. Благодаря этому им удавалось образовывать перемещаемый фокус, в котором небольшой объект словно бы зажимается и зависает в воздухе. При этом направление звуковых волн можно менять произвольным образом, что приводит к передвижению объекта в пространстве. Акустическая левитация — это один из способов преодоления притяжения Земли, считают ученые. Именно поэтому подобные устройства и разработки интересны многим крупным организациям, например, NASA.

Бразильские учёные продемонстрировали устройство акустической левитации

Ученые из университета города Сан-Паулу в Бразилии завершили работу над очередным вариантом устройства акустической левитации. Они уже успели назвать свое изобретение лучшим акустическим левитатором во всем мире. Из этой новости мы узнали, что в Бразилии есть не только хорошие футболисты и музыканты, но и ученые. Если же говорить серьезно, то созданное в Бразилии устройство не только может с высокой точностью управлять положениями предметов в пространстве, но и перемещать эти предметы. Предполагается, что это поможет появлению возможности практического применения данной технологии в самых различных областях нашей жизни.

Сегодня под левитацией понимают явление, при котором предмет может парить в пространстве без видимой опоры, не касаясь краями твердой или жидкой поверхности. При этом левитацией не признается полет, который происходит за счет отталкивания от окружающего воздуха, как у птиц и насекомых. Явление левитации часто фигурирует в произведениях искусства, особенно в литературе, также его можно встретить в фильмах. Встречается оно и в сказках. Самым известным сказочным артефактом, способным к левитации, является знакомый всем ковер-самолет.

Однако вернемся к научной составляющей. Типичный акустический левитатор обладает расположенным в верхней части направленным акустическим излучателем, который может генерировать ультразвуковые волны. Данные волны, распространяясь вниз, отражаются вверх от специального параболического отражателя. Двигаясь назад, отраженные волны сталкиваются с волнами, которые движутся им на встречу. Благодаря этому возникает так называемая стоячая волна, которая обладает четко выраженными неподвижными максимумами и минимумами. Между данными областями стоячей волны образуются зоны, в которых повышено давление воздуха. Здесь возникают силы, которые в состоянии удерживать неподвижно в пространстве небольшие и легкие предметы, такие как образцы живых тканей или капли жидкостей.

Чтобы технология акустической левитации надежно работала, в классическом варианте необходимо обеспечить условие, при котором отражатель и излучатель будут полностью неподвижны и расположены на одной оси. При этом должно быть соблюдено строго определенное расстояние между ними, в противном случае звуковые колебания могут не складываться должным образом в пространстве, что не позволит создать стоячую волну. В то же время уникальная геометрическая форма отражателя, которая была придумана бразильскими учеными, позволяет созданному устройству функционировать в качестве нерезонансного акустического левитатора. Это, в свою очередь, говорит нам о том, что положение отражателя и излучателя, равно как и дистанция между ними, могут изменяться, не приводя к нарушениям работы устройства. Более того, изменение ориентации отражателя позволяет перемещать удерживаемые объекты в пространстве.

В настоящее время собранный опытный образец в состоянии удерживать лишь небольшие по размерам капли воды и шарики пенопласта размерами примерно 3 мм. Но ученые надеются, что в будущем им удастся добиться улучшения технологии. Это позволило бы им создать более совершенные устройства, которые помогут удерживать и перемещать в пространстве большие и более массивные предметы. К примеру, образцы каких-либо опасных материалов, фармацевтические препараты и те вещи, к которым человеку лучше не притрагиваться своими руками.

Естественно, в случае развития и усовершенствования подобная технология могла бы найти очень широкое применение в самых различных областях современного промышленного производства. Марко Аурелио Бриццотти Андраде, руководитель представленного проекта, отмечает, что на современных предприятиях трудится огромное количество роботов, основной задачей которых является перемещение вещей и деталей с одного места на другое. С помощью технологий акустической левитации можно было бы выполнять эти задачи, не касаясь при этом перемещаемых в пространстве предметов.

Читать еще:  Стиральная машина автомат для сельской местности

Работа над устройствами акустической левитации ведется не только в Бразилии. К примеру, японские ученые из Токийского университета, а также Технологического института Нагои научились успешно приводить в движение небольшие объекты при помощи сложной системы акустической левитации. В их опытах звуковые волны могли перемещать в трехмерном пространстве небольшие частицы полистирена размерами от 0,6 до 2 мм. До этого предметы при помощи подобной системы удавалось перемещать лишь в двух измерениях.

Чтобы двигать по воздуху небольшие полистиреновые частицы, маленькие кусочки древесины, капли воды и даже шурупы, было использовано 4 ряда звуковых колонок. Перечисленные объекты перемещались в пространстве во всех направлениях в тех пределах, которые допускались условиями проводимого эксперимента. Перемещение предметов и их левитацию в этом случае также обеспечивали стоячие ультразвуковые волны.

Сегодня в литературе можно встретить описание опыта, который каждый может повторить у себя дома. Для этого вам нужно будет разместить зажатую в руке полоску бумаги над ультразвуковым генератором. Разместить ее нужно таким образом, чтобы свободный конец бумажки размещался в 3-5 мм над торцом стержня, необходимо будет нажать кнопку генератора. После этого кончик бумаги, испытывая воздействие звуковой волны, пойдет вверх и неподвижно зависнет над стержнем, будет левитировать.

Аппараты, которые использовали японские специалисты, гораздо сложнее генераторов. Звуковые волны, обладающие частотой 20 кГц и неслышимые человеческим ухом, исходили с 4-х сторон и пересекались внутри заданного ограниченного пространства. Благодаря этому им удавалось образовывать перемещаемый фокус, в котором небольшой объект словно бы зажимается и зависает в воздухе. При этом направление звуковых волн можно менять произвольным образом, что приводит к передвижению объекта в пространстве. Акустическая левитация — это один из способов преодоления притяжения Земли, считают ученые. Именно поэтому подобные устройства и разработки интересны многим крупным организациям, например, NASA.

3D-принтеры создали голограммы для акустической левитации

Схема эксперимента по созданию акустического поля сложной формы: печать голограммы на 3D-принтере, внешний вид голограммы и ее создание поля колебаний давления в жидкости

Физики из Института интеллектуальных систем общества Макса Планка разработали новую технику акустической голографии, позволяющую создавать звуковые поля рекордно сложных форм. Основным применением для нее авторы называют акустическую левитацию и манипуляцию миниатюрными объектами. В основе техники лежит моделирование и печать голограмм с помощью 3D-принтера. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Акустическая левитация — методика, в которой с помощью звуковых волн (они же являются волнами давления, например, в воздухе или в воде) ученые управляют движением частиц в пространстве. Такие манипуляции позволяют работать с объектами, которых по какой-то причине нельзя касаться. Например, с помощью достаточно мощных источников звука можно добиться левитации капель расплавленного металла. Для того чтобы зафиксировать левитируемый объект в пространстве, необходимо создать стоячую акустическую волну. Распределение давлений в ней словно бы не меняется со временем — изменяется лишь амплитуда волны.

Эксперимент по акустической левитации капель воды

Dan Harris / Argonne National Laboratory / Flickr

Традиционно для акустической левитации используется пара источников звука, волны от которых интерферируют, формируя стоячую волну. Однако она позволяет управлять положением частиц лишь вдоль одной оси. Если требуется создать более сложные конструкции из левитируемых объектов, инженеры используют массивы из нескольких источников звука — интерференция излучения приводит к возникновению полей давления сложной формы. Работа с такими системами требует высокой точности настройки устройств — к примеру, их рабочие частоты должны совпадать, а положение источников должно быть четко определено. С помощью такой техники в 2015 году физики создали «притягивающий луч».

Альтернативой использованию большого количества источников звука является акустическая голография. Ее традиционный оптический аналог позволяет создавать сложные световые поля с помощью одного источника света (лазера) и специальной пластинки. В последней записывается информация о направлении и фазе излучения, падающего на нее. Для создания лазерной голограммы используется лазер, часть излучения которого отражается от «записываемого» объекта, а часть напрямую падает на фоточувствительную пластинку. Результат интерференции между этими лазерными пучками и оказывается записан в пластинке.

Для создания акустических голограмм можно использовать аналогичные методики, связанные с записью интерференционных картин звуковых волн. Однако разрешение, требуемое для их создания, гораздо меньше, чем для оптических. Благодаря этому акустические голограммы можно создавать и напрямую, не имея «образца» звукового поля. В новой работе авторы продемонстрировали, что для этого можно использовать 3D-печать.

Схема создания акустической голограммы

Kai Melde et al. / Nature, 2016

На первом этапе создания голограммы физики моделировали интерференционную картину, которая возникнет при сложении записываемого звукового поля и опорного акустического излучения. Затем исследователи использовали трехмерную модель этой картины для 3D-печати голографической пластинки из обычного пластика. Для чтения голограммы пластинку закрепляли на источнике ультразвука и помещали под воду.

Авторы проверили работоспособность методики на акустических полях сложной формы. Так, ученым удалось создать стоячую волну, повторяющую по форме «Голубя мира» Пабло Пикассо, и использовать ее для самосборки частиц. Кроме того, физики показали, что с помощью той же техники можно заставить частицы двигаться по определенным траекториям и левитировать.

Движение частицы в акустическом поле, созданном с помощью голограммы (видна под частицей)

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector