Επιστήμονες έφτιαξαν τσιπ που μπορεί να μετακινεί αντικείμενα με τον… ήχο – Πώς λειτουργεί η «αόρατη δύναμη»

Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Virginia Tech εφηύραν ένα καινοτόμο ηλεκτρονικό τσιπ που παράγει ακουστικά κύματα ικανά να μετακινούν αντικείμενα χωρίς να τα αγγίζουν, σαν να κρατούν αόρατες λαβίδες.

Αν και υπάρχουν ήδη άλλες μέθοδοι για τη μετακίνηση αντικειμένων χωρίς άμεση επαφή, η νέα προσέγγιση είναι η πρώτη που παράγει κύματα απευθείας πάνω στο τσιπ, με την ικανότητα να μετακινήσουν μεμονωμένα αντικείμενα ή υγρά χωρίς άμεση επαφή.

Η ερευνητική ομάδα που είναι

υπεύθυνη για τον νέο σχεδιασμό πιστεύει ότι το τσιπ παραγωγής ακουστικών κυμάτων που δημιούργησαν θα μπορούσε να ωφελήσει επιστημονικές και κατασκευαστικές διαδικασίες που βασίζονται στη μετακίνηση αντικειμένων χωρίς φυσική επαφή, συμπεριλαμβανομένων της μικρορομποτικής, της νανομηχανικής και της εξατομικευμένης κατασκευής φαρμάκων.

Σύμφωνα με δήλωση που περιγράφει το τσιπ που παράγει ηχητικά κύματα, ο επίκουρος καθηγητής Μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο Virginia Tech, Zhenhua Tian, και η ομάδα του ενδιαφέρθηκαν για την ιδέα της δημιουργίας ακουστικών κυμάτων ικανών να μετακινούν αντικείμενα χωρίς να τα αγγίζουν. Ωστόσο, κατά την αξιολόγηση προηγούμενων προσεγγίσεων, η ομάδα διαπίστωσε ότι η ίδια η παραγωγή των κυμάτων λειτουργούσε ως περιοριστικός παράγοντας στις πρακτικές εφαρμογές της μεθόδου.

Ωστόσο, αξιολογώντας προηγούμενες προσεγγίσεις, η ομάδα διαπίστωσε ότι η πραγματική παραγωγή των κυμάτων λειτουργούσε ως περιοριστικός παράγοντας στις πρακτικές εφαρμογές της προσέγγισης. Για παράδειγμα, το τρέχον πρότυπο για την παραγωγή ακουστικών κυμάτων σε ηλεκτρονικά τσιπ είναι ένας μετατροπέας (IDT – interdigital transducer). Αλλά σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, οι IDTs δεν παράγουν «άκρως προσαρμόσιμα καμπύλα και αλληλεπικαλυπτόμενα κύματα» που απαιτούνται για την παγίδευση και μετακίνηση αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων υγρών, χωρίς να τα αγγίξουν.

Φανταστείτε σαν να προσπαθείτε να μετακινήσετε ένα μπαλάκι του πινγκ πονγκ με την παλάμη του χεριού σας. “Μπορείτε να το κυλήσετε κατά μήκος μιας επιφάνειας, αλλά δεν μπορείτε να το σηκώσετε και να το μετακινήσετε ελεύθερα”, εξήγησαν. Με χρηματοδότηση από το βραβείο CAREER του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (NSF) για το 2024, ο Tian και η ομάδα του εργάστηκαν για να αναπτύξουν ένα τσιπ που μπορεί να παράγει διασταυρούμενα ακουστικά κύματα, τα οποία μπορούν να συντονιστούν ώστε να λειτουργούν μαζί σαν αόρατοι «γάντζοι». Η έρευνά τους, δημοσιεύτηκε στο Nature Communications.

Αυτό σήμαινε τον επανασχεδιασμό του σχήματος του πομπού κυμάτων και των ηλεκτροδίων που δημιουργούν τα ενεργειακά κύματα που εκπέμπονται από το τσιπ.

(Από αριστερά) Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Jiali Li, ο επίκουρος καθηγητής Zhenhua Tian και ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Luyu Bo αναλύουν ακουστικές κυματομορφές στο εργαστήριο του Tian. Πηγή: Φωτογραφία του Alex Parrish για το Virginia Tech.

Μετά την αξιολόγηση πιθανών σχεδίων, η ομάδα δημιούργησε διάφορες εκδοχές με βάση την απαιτούμενη κλίμακα. Η ομάδα του Tian δήλωσε ότι αυτό περιλάμβανε τον σχεδιασμό τσιπ παραγωγής ακουστικών κυμάτων που λειτουργούσαν σε διαφορετικά επίπεδα ισχύος και την παραγωγή κυμάτων «με διαφορετικά ενεργειακά προφίλ». Τα νέα σχέδια επέτρεψαν επίσης την προσαρμογή της κατανομής φάσης των κυμάτων, επιτρέποντας την μέχρι πρότινος αδύνατη κλίση, καμπύλωση και εναρμόνιση των ακουστικών κυμάτων.

Η δεύτερη εφεύρεση

«Αυτή η νέα συλλογή μηχανισμών συγκεντρώθηκε σε ένα ηλεκτρονικό τσιπ, ένα όργανο “όλα-σε-ένα” (all-in-one) το οποίο, με λίγες προσαρμογές, θα μπορούσε να δημιουργήσει μακρινές δέσμες ακουστικής ενέργειας με μεγαλύτερη εμβέλεια και ισχύ από ό,τι θα μπορούσε ένας παραδοσιακός IDT», εξήγησαν.

Παράλληλα με τη δημιουργία ενός νέου τσιπ ικανού να μετακινεί αντικείμενα χωρίς να τα αγγίζει μέσω της παραγωγής προσαρμόσιμων ακουστικών κυμάτων, η ομάδα ανέφερε ότι ανέπτυξε επίσης ένα εντελώς νέο μετα-υλικό κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας.

Όταν συζητούσαν τις πιθανές εφαρμογές για τα προσαρμόσιμα τσιπ ακουστικών κυμάτων τους, οι ερευνητές πρότειναν τη δρομολόγηση κυμάτων, τον χειρισμό υγρών και σωματιδίων, καθώς και άλλες εφαρμογές μικρομηχανικής. Αυτές περιλαμβάνουν εφαρμογές στη μη επεμβατική χειρουργική, στους βιοαισθητήρες και στη μικροκατασκευή.

 

Ο Tian και οι συνεργάτες του συνεχίζουν να βελτιώνουν τα σχέδιά τους, ενώ διερευνούν νέες πιθανές εφαρμογές για ένα τσιπ παραγωγής ακουστικών κυμάτων που μπορεί να μετακινεί αντικείμενα χωρίς να τα αγγίζει, «δημιουργώντας έναν ευρύ ορίζοντα για το μέλλον της τεχνολογίας». «Το τσιπ δεν είναι απλώς ένας νέος τύπος υφάσματος ή μια νέα γεύση παγωτού», κατέληξαν. «Έχει σχεδιαστεί με υλικά και ακουστική που μπορούν να αναμορφώσουν την ηχητική ενέργεια και να αλλάξουν τη λειτουργία της.».

Από το enikos