No es un aerotabla Mattel. Pero un dispositivo construido por un equipo en España y el Reino Unido puede levitar y manipular pequeños objetos en el aire, y posiblemente en agua y tejidos humanos, utilizando ondas de sonido de alta frecuencia. La tecnología es prometedora en una variedad de campos que van desde la medicina hasta la exploración espacial.
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Los científicos ya sabían que las ondas de sonido crean bolsas oscilantes de aire a presión, que pueden producir una fuerza sobre un objeto capaz de contrarrestar la fuerza de la gravedad. Pero aunque existen dispositivos de levitación por ultrasonido, todos se basan en ondas estacionarias, que se crean cuando dos ondas sonoras de la misma frecuencia se emiten desde direcciones opuestas y se superponen entre sí. Eso significa que todos los dispositivos anteriores requieren dos conjuntos de transductores.
"Todos los levitadores anteriores tuvieron que rodear la partícula con elementos acústicos, lo que fue engorroso para algún tipo de manipulación", dice el líder del estudio Asier Marzo de la Universidad Pública de Navarra en España. “Sin embargo, nuestra técnica solo requiere ondas de sonido de un lado. Es como un láser: puedes levitar partículas, pero con un solo haz ”.
Para desarrollar su tecnología, Marzo y sus colegas se inspiraron en hologramas visuales, en los que se proyecta un campo de luz desde una superficie plana para producir una serie de "patrones de interferencia" que forman una imagen en 3D. Las ondas de sonido también son capaces de crear patrones de interferencia, por lo que se puede aplicar el mismo principio.
"Básicamente copiamos el principio de los hologramas de luz para crear estos hologramas acústicos", dice Marzo, cuyo equipo describe su trabajo esta semana en Nature Communications .
Marzo y su equipo organizaron 64 transductores pequeños de 16 voltios en un patrón similar a una cuadrícula. Cada transductor fue calibrado para emitir ondas de sonido a 40, 000 Hertz, una frecuencia que excede por mucho la sensibilidad máxima del oído humano (20, 000 Hz) pero es audible para otros animales como perros, gatos y murciélagos.
Aunque la frecuencia y la potencia de cada transductor eran idénticas, los científicos elaboraron un algoritmo que variaba los picos y valles relativos de cada onda para generar patrones de interferencia y crear objetos acústicos.
El desafío era que estos objetos acústicos eran inaudibles e invisibles para los humanos, por lo que el equipo tuvo que desarrollar varias simulaciones para "ver" el sonido. En un enfoque que enorgullecería a cualquier sinestésico, Marzo utilizó un micrófono para tomar muestras de ondas de ultrasonido emitidas por los transductores y luego alimentó los datos a través de una impresora 3D, que utilizaron para crear visualizaciones digitales de los objetos auditivos.
Después de probar una variedad de formas acústicas, el equipo de investigación descubrió tres que eran más efectivas: la trampa gemela, que se asemeja a un par de pinzas; la trampa de vórtice, análoga a un tornado que suspende un objeto giratorio en su centro; y la trampa de la botella, que levita el objeto en el espacio vacío dentro de la botella.
Aunque el experimento actual solo levantó pequeñas perlas de espuma de poliestireno, Marzo cree que la tecnología se puede escalar para diferentes objetos manipulando la frecuencia de las ondas de sonido, que determina el tamaño de los objetos acústicos, así como la potencia general del sistema, que permite La levitación de objetos más livianos o pesados en distancias más largas.
"La levitación de partículas por transductores de un solo lado es un resultado sorprendente que abre nuevas posibilidades para la tecnología de levitación acústica", dice Marco Aurélio Brizzotti Andrade, profesor asistente de física en la Universidad de São Paulo que trabajó anteriormente en levitación basada en sonido. .
"Una aplicación de la reducción gradual es la manipulación in vivo, lo que significa levitar y manipular partículas dentro del cuerpo", dice Marzo. "Y estas partículas podrían ser cálculos renales, coágulos, tumores e incluso cápsulas para la administración dirigida de fármacos". La levitación ultrasónica no interfiere con la resonancia magnética, por lo que los médicos pueden obtener imágenes instantáneamente de la acción durante la manipulación in vivo .
Y cuando se trata de estas micromanipulaciones en el cuerpo humano, la tecnología de haz unilateral tiene una tremenda ventaja sobre la tecnología de onda estacionaria de dos lados. Para empezar, los dispositivos de levitación basados en ondas estacionarias pueden atrapar accidentalmente más partículas que los objetivos previstos. "Sin embargo, con levitadores unilaterales, y solo hay un único punto de captura", dice.
Marzo señala, sin embargo, que el ultrasonido tiene una capacidad limitada para levitar objetos más grandes: “Recoger un objeto del tamaño de una pelota de playa requeriría 1, 000 Hz. Pero eso entra en el rango audible, lo que podría ser molesto o incluso peligroso para el oído humano ".
La tecnología también tiene algunas aplicaciones prometedoras en el espacio exterior, donde puede suspender objetos más grandes en menor gravedad y evitar que se deslicen sin control. Pero Marzo descarta cualquier noción de un rayo tractor similar a Star Trek capaz de manipular humanos en la Tierra.
Bajo gravedad normal, "el poder requerido para levantar a un humano probablemente sería letal", dice Marzo. "Si aplicas demasiado poder de ultrasonido a un líquido, crearás microburbujas". En otras palabras, demasiado poder de sonido puede hacer que tu sangre hierva.
En futuros estudios, Marzo espera colaborar con especialistas en ultrasonido para refinar la tecnología para aplicaciones médicas y expandir aún más el enfoque a objetos de diferentes tamaños.
"Eso es lo bueno del sonido", dice. "Tiene una amplia gama de frecuencias que puede utilizar para una variedad de aplicaciones".
