Não é um hoverboard da Mattel. Mas um dispositivo construído por uma equipe na Espanha e no Reino Unido pode levitar e manipular pequenos objetos no ar, e possivelmente em água e tecido humano, usando ondas sonoras de alta frequência. A tecnologia é promissora em vários campos, desde a medicina até a exploração espacial.
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Os cientistas já sabiam que as ondas sonoras criam bolsões oscilantes de ar pressurizado, que podem produzir uma força sobre um objeto capaz de neutralizar a força da gravidade. Mas enquanto existem dispositivos de levitação por ultra-som, todos eles dependem de ondas estacionárias, que são criadas quando duas ondas sonoras da mesma frequência são emitidas de direções opostas e sobrepostas umas às outras. Isso significa que todos os dispositivos anteriores requerem dois conjuntos de transdutores.
"Todos os levitadores anteriores tinham que cercar a partícula com elementos acústicos, o que era complicado para algum tipo de manipulação", diz o líder do estudo, Asier Marzo, da Universidade Pública de Navarra, na Espanha. “Nossa técnica, no entanto, requer apenas ondas sonoras de um lado. É como um laser - você pode levitar partículas, mas com um único feixe ”.
Para desenvolver sua tecnologia, Marzo e seus colegas se inspiraram em hologramas visuais, nos quais um campo de luz é projetado a partir de uma superfície plana para produzir uma série de “padrões de interferência” que formam uma imagem 3D. As ondas sonoras também são capazes de fazer padrões de interferência, então o mesmo princípio pode ser aplicado.
“Basicamente, copiamos o princípio dos hologramas de luz para criar esses hologramas acústicos”, diz Marzo, cuja equipe descreve seu trabalho esta semana na Nature Communications .
Marzo e sua equipe organizaram 64 pequenos transdutores de 16 volts em um padrão de grade. Cada transdutor foi calibrado para emitir ondas sonoras a 40.000 Hertz, uma frequência que excede em muito a sensibilidade máxima do ouvido humano (20.000 Hz), mas que é audível para outros animais, como cães, gatos e morcegos.
Embora a frequência e a potência de cada transdutor fossem idênticas, os cientistas criaram um algoritmo que variava os altos e baixos relativos de cada onda para gerar padrões de interferência e criar objetos acústicos.
O desafio era que esses objetos acústicos eram inaudíveis e invisíveis para os humanos, então a equipe teve que desenvolver várias simulações para “ver” o som. Em uma abordagem que faria qualquer synesthete orgulhoso, Marzo usou um microfone para amostrar ondas de ultra-som emitidas pelos transdutores e, em seguida, alimentou os dados através de uma impressora 3D, que eles usaram para criar visualizações digitais dos objetos auditivos.
Depois de testar uma variedade de formas acústicas, a equipe de pesquisa descobriu três que eram mais eficazes: a armadilha dupla, que se assemelha a um par de pinças; a armadilha de vórtices, análoga a um tornado que suspende um objeto giratório em seu centro; e a armadilha de garrafas, que levita o objeto no espaço vazio dentro da garrafa.
Embora o experimento atual apenas tenha levantado pequenas contas de isopor, Marzo acredita que a tecnologia pode ser escalonada para diferentes objetos, manipulando a frequência das ondas sonoras, o que determina o tamanho dos objetos acústicos, bem como a potência geral do sistema. a levitação de objetos mais leves ou mais pesados por longas distâncias.
“A levitação de partículas por transdutores unilaterais é um resultado surpreendente que abre novas possibilidades para a tecnologia de levitação acústica”, diz Marco Aurélio Brizzotti Andrade, professor assistente de física da Universidade de São Paulo que trabalhou anteriormente em levitação baseada em som .
"Uma aplicação da redução é a manipulação in vivo - o que significa levitar e manipular partículas dentro do corpo", diz Marzo. "E essas partículas podem ser cálculos renais, coágulos, tumores e até cápsulas para o fornecimento de drogas direcionadas." A levitação ultrassônica não interfere na ressonância magnética, de modo que os médicos podem instantaneamente imaginar a ação durante a manipulação in vivo .
E quando se trata dessas micromanipulações no corpo humano, a tecnologia de feixe unilateral tem uma tremenda vantagem sobre a tecnologia de ondas estacionárias de dois lados. Para começar, dispositivos de levitação baseados em ondas estacionárias podem acidentalmente capturar mais partículas do que os alvos pretendidos. "No entanto, com levitadores unilaterais, e há apenas um único ponto de captura", diz ele.
Marzo ressalta, porém, que a ultrassonografia é limitada em sua capacidade de levitar objetos maiores: “Para pegar um objeto do tamanho de uma bola de praia seria necessário 1.000 Hz. Mas isso entra no alcance sonoro, o que pode ser irritante ou até perigoso para o ouvido humano ”.
A tecnologia também tem algumas aplicações promissoras no espaço sideral, onde pode suspender objetos maiores com menor gravidade e evitar que eles se movam descontroladamente. Mas Marzo descarta quaisquer noções de um raio trator semelhante a Jornada nas Estrelas capaz de manipular humanos na Terra.
Sob gravidade normal, “a força necessária para levantar um humano provavelmente seria letal”, diz Marzo. "Se você aplicar muita energia de ultra-som a um líquido, criará microbolhas". Em outras palavras, muita potência sonora pode fazer seu sangue ferver.
Em estudos futuros, Marzo espera colaborar com especialistas em ultra-som para refinar a tecnologia para aplicações médicas e expandir ainda mais a abordagem para objetos de tamanhos diferentes.
"Essa é a coisa boa sobre o som", diz ele. "Você tem uma ampla gama de freqüências que você pode utilizar para uma variedade de aplicações."
