27.07.2021 - Tokyo Metropolitan University

Pinzetten aus Schall können Objekte ohne physischen Kontakt aufnehmen

Hemisphärische Anordnung von Ultraschallwandlern hebt Objekte von reflektierenden Oberflächen ab

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben eine neue Technologie entwickelt, die eine berührungslose Manipulation von kleinen Objekten mithilfe von Schallwellen ermöglicht. Sie verwendeten eine halbkugelförmige Anordnung von Ultraschallwandlern, um ein 3D-Schallfeld zu erzeugen, das einen kleinen Polystyrolball stabil einfing und von einer reflektierenden Oberfläche abhob. Obwohl ihre Technik eine Methode verwendet, die dem Laser Trapping in der Biologie ähnelt, lässt sie sich an eine breitere Palette von Partikelgrößen und Materialien anpassen.

Die Fähigkeit, Objekte zu bewegen, ohne sie zu berühren, mag wie Magie klingen, aber in der Welt der Biologie und Chemie hilft eine Technologie, die als Optical Trapping bekannt ist, den Wissenschaftlern seit vielen Jahren, Licht zu nutzen, um mikroskopische Objekte zu bewegen. Tatsächlich wurde die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2018, der an Arthur Ashkin (1922-2020) verliehen wurde, in Anerkennung der bemerkenswerten Leistungen dieser Technologie vergeben. Aber die Verwendung von Laserlicht ist nicht ohne Schwächen, insbesondere die Grenzen der Eigenschaften der Objekte, die bewegt werden können.

Eine Alternative ist das akustische Trapping, bei dem Schallwellen anstelle von optischen Wellen verwendet werden. Schallwellen können auf ein breiteres Spektrum von Objektgrößen und Materialien angewendet werden, so dass eine erfolgreiche Manipulation bei millimetergroßen Partikeln möglich ist. Obwohl es sie noch nicht so lange gibt wie ihre optischen Gegenstücke, sind akustische Levitation und Manipulation sowohl im Labor als auch darüber hinaus äußerst vielversprechend. Aber die technischen Herausforderungen, die es zu überwinden gilt, sind groß. Insbesondere ist es nicht einfach, riesige Arrays von Ultraschallwandlern einzeln und präzise in Echtzeit zu steuern und die richtigen Schallfelder zu erzeugen, um Objekte weit entfernt von den Wandlern selbst anzuheben, insbesondere in der Nähe von Oberflächen, die den Schall reflektieren.

Jetzt haben die Forscher Shota Kondo und Kan Okubo von der Tokyo Metropolitan University einen neuen Ansatz entwickelt, um millimetergroße Objekte mit Hilfe eines halbkugelförmigen Arrays von Schallwandlern von einer reflektierenden Oberfläche abzuheben. Ihre Methode, das Array anzusteuern, verzichtet auf eine komplexe Adressierung der einzelnen Elemente. Stattdessen wird das Array in überschaubare Blöcke aufgeteilt und ein inverser Filter verwendet, der die beste Phase und Amplitude für die Ansteuerung der Blöcke findet, um eine einzelne Falle in einiger Entfernung von den Wandlern selbst zu erzeugen. Indem sie die Ansteuerung der Blöcke im Laufe der Zeit anpassen, können sie die Position ihres Zielfeldes ändern und das gefangene Teilchen bewegen. Ihre Ergebnisse werden durch Simulationen der akustischen 3D-Felder unterstützt, die von den Arrays erzeugt werden, und natürlich durch ihre Experimente mit einer Styroporkugel, die für sich selbst sprechen.

Obwohl es noch Herausforderungen gibt, die Partikel gefangen und stabil zu halten, verspricht diese aufregende neue Technologie große Fortschritte auf dem Weg, das akustische Fallenstellen von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu einem praktischen Werkzeug im Labor und in der Industrie zu machen.

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