Guidare oggetti su percorsi predefiniti con onde sonore: innovazioni e applicazioni dinamiche

RomeNel 2018, Arthur Ashkin ha vinto il Premio Nobel per la Fisica per l'invenzione delle pinzette ottiche. Questi sono raggi laser capaci di manipolare minuscole particelle, ma richiedono condizioni speciali per funzionare correttamente. Le pinzette ottiche intrappolano le particelle utilizzando un punto di luce focalizzata. Tuttavia, questo punto è difficile da creare e spostare quando ci sono altri oggetti nelle vicinanze.

Romain Fleury, a capo del Laboratorio di Ingegneria delle Onde all'EPFL, desiderava spostare oggetti in vari ambienti. Insieme ai ricercatori Bakhtiyar Orazbayev e Matthieu Malléjac, Fleury ha trascorso quattro anni a sviluppare un sistema per muovere oggetti utilizzando onde sonore. Questo metodo, denominato wave momentum shaping, è semplice e indipendente dall'ambiente o dalle caratteristiche fisiche dell'oggetto. È sufficiente sapere dove si trova l'oggetto, e le onde sonore faranno il resto.

Punti Chiave:

• Utilizza onde sonore per muovere oggetti
• Funziona in ambienti dinamici e non controllati
• Basato sulla conservazione del momento
• Pubblicato su Nature Physics

Durante i loro esperimenti, piuttosto che catturare gli oggetti, li spostavano. Questo metodo è stato sovvenzionato dal programma Spark della Fondazione Nazionale Svizzera per la Scienza (SNSF). Alla ricerca hanno collaborato studiosi dell'Università di Bordeaux, dell'Università Nazarbayev e dell'Università di Tecnologia di Vienna.

Per gli esperimenti di laboratorio, una pallina da ping-pong è stata posizionata sulla superficie di un grande serbatoio d'acqua, dove galleggiava. Una telecamera dall'alto ne registrava la posizione. Altoparlanti posti alle estremità del serbatoio emettevano onde sonore per spostare la pallina lungo un percorso specificato. Microfoni captavano le onde sonore riflesse dalla pallina, creando un modello di dati noto come matrice di dispersione.

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I ricercatori hanno utilizzato la matrice di diffusione e i dati delle telecamere per trovare il modo migliore di controllare le onde sonore per mantenere la palla in movimento come desiderato. Questo approccio semplice e versatile ha un grande potenziale. Fleury ha spiegato che il metodo è stato ispirato da una tecnica utilizzata nell'ottica per focalizzare la luce diffusa. Era la prima volta che questa idea veniva impiegata per spostare un oggetto.

Il metodo può anche gestire rotazioni e spostare oggetti più complessi, come un modello di carta dettagliato. Successivamente, sono state aggiunte barriere al sistema per verificare la sua capacità di operare in condizioni difficili. Guidare con successo la sfera attorno a queste barriere ha dimostrato che la tecnica potrebbe funzionare in ambienti variabili, come all'interno del corpo umano.

Il suono è utile in medicina perché è sicuro e delicato. Alcuni metodi di somministrazione dei farmaci utilizzano le onde sonore per rilasciare i farmaci all'interno del corpo, permettendo di indirizzarli direttamente alle cellule tumorali. Questa tecnica può essere utile anche per studiare la biologia o ingegnerizzare i tessuti, poiché consente di controllare le cellule senza danneggiarle o introdurre contaminanti.

Fleury è entusiasta della stampa 3D. Questo metodo permette di posizionare minuscole particelle in posizioni precise prima di trasformarle in oggetti solidi. I ricercatori credono che questo processo possa funzionare anche con la luce. Il prossimo passo è lavorare su una scala più ridotta. Hanno ottenuto fondi dal SNSF per sperimentare l'uso delle onde ultrasoniche per muovere cellule sotto un microscopio.