Ultrazvuk se obvykle používá pro detekci - ať už v průmyslu, nebo v lékařství. Tým japonských vědců z Univerzity v Tokiu však rozvíjí technologii, která využívá ultrazvukové zvukové vlny k fyzické manipulaci s drobnými objekty. Díky propočítanému "uzamčení" do protichůdných ultrazvukových vln dokážou udržet ve vzduchu polystyrenové kuličky i drobné součástky. V těchto mezerách (tzv. uzlech) jsou pak drobné objekty uvězněny, a navzdory gravitaci levitují ve vzduchu.
Hromada kuliček na podložce dobře ukazuje stopy po vlnách, které několik vybraných kuliček zvedly do výšky.
Přesně propočítanými změnami ve fázi zvukových vln je také možné předměty ve vzduchu přemisťovat, a to ve všech směrech. Autoři proto doufají, že by se podobného systému mohlo využít například při výzkumech v laboratoři, kdy vědci často potřebují jemně posunout drobné vzorky. A ultrazvuková levitace to umožní bezdotykově. Takayuki Hoshi si dokáže představit i využití v zábavě nebo při ovládání počítače. Největším předmětem, který dokázal k levitaci pomocí zvukových vln přimět, byla šestimilimetrová kovová matka.
Síla ultrazvuku
Využití zvuku pro soustavné vyvíjení tlaku není nic nového (viz. například studie z roku 2006 nebo 2005, autoři sami odkazují i studii z roku 1975). Zvuk je vlnění šířící se prostředím (v tomto případě vzduchem) a soustředěným vysíláním zvuku jedním směrem lze za určitých okolností vytvořit krátkodobý i souvislý tlak.
Tak fungovaly i dosavadní experimenty s levitací pomocí zvuku. Šlo v podstatě o nadnášení předmětů zespodu (kromě malých předmětů zkoušeli mimochodem vědci i levitaci živých zvířátek). Tým japonských vědců experimentuje s principem tzv. stojatého vlnění. To má takové parametry, že tvar vlny je v prostoru stálý. Vzniká stálá obálka vlnění s jednotlivými mezerami (uzly), které jsou od sebe vzdáleny na vzdálenost poloviny vlnové délky. V případě japonského experimentu je to přibližně 4 mm (frekvence zvuku 40 kHz).
Čtvercová plocha o straně 52 cm, rozlišení pohybu půl milimetru. Ultrazvukový "reproduktor" je složen z pole (array) 285 elektroakustických měničů schopných vyvinout pouhým zvukem tlak až 2600 Pa (při "zaostření" na jedno místo ze vzdálenosti 20 cm).
Levitující kuličky udržuje ve vzduchu souprava čtyř ultrazvukových reproduktorů.
Ladění jednotlivých parametrů vědci popsali v práci "Three-dimensional Mid-air Acoustic Manipulation by Ultrasonic Phased Arrays" (přibližně "Trojrozměrná akustická manipulace pomocí ultrazvukového fázového pole"). Zatím nebyla publikována, dostupná na arxiv.org v PDF.
Od bublin k levitaci
Tým původně pracoval na docela jiném projektu. "Zabývali jsme se bublinovým displejem, a při práci jsme využívali i ultrazvukový generátor," uvedl pro Technet Takayuki Hoshi. "Před deseti měsíci jsme s kolegy přišli na to, že při použití dvou ultrazvukových generátorů proti sobě lze udržet částice ve vzduchu."
Výzkum zatím nemá bezprostřední praktické využití. Práce se zabývá především stabilitou efektu levitace - různě velké předměty vydrží levitovat různě dlouho. Liší se také výdrž v různé vzdálenosti levitujícího předmětu od zvukových generátorů.
Postupným a propočítaným posouváním fáze vlny je možné posouvat objekty v prostoru, ovšem zdaleka ne libovolně. Choreografie je částečně omezená, stejně jako manipulace s více předměty najednou. Vědci mají k dispozici v podstatě jakýsi neviditelný kříž a v jeho středu a ramenech mohou stojící zvukové vlny "uvěznit" drobné předměty. Mohou tak, jak je na videu vidět, manipulovat s více předměty zároveň, ovšem nikoli nezávisle na sobě.
Pokud do stojících zvukových vln nasypete polystyrenové kuličky, zachytí se kuličky v jakémsi kříži uprostřed. Tento lze následně řízeně posouvat.
Levitace také nefunguje, pokud je některé z ramen ultrazvukového kříže přerušeno, třeba překážkou, která stojí v cestě. To by mohlo omezit uplatnění při sestavování mechanických součástek. Příbuzný problém, konkrétně bezdotykovou manipulaci s předměty na mikroskopické úrovni, řeší i výzkumníci na ČVUT v Praze (více v tomto článku článku).
Japonská práce si díky dobře udělanému videu získala pozornost technologických on-line magazínů. Ty logicky spekulují, zda jde konečně o levitaci ve stylu Hvězdných válek. Nejde. "Zatím největší předmět, který jsme pomocí ultrasonické levitace ve vzduchu udrželi, byla kovová matka o průměru 6 mm, " pochlubil se nám Hoshi.
V praxi může být výhoda tohoto systému naopak v tom, jak citlivě dokáže manipulovat s nepatrnými částečkami. "Lze takto zvednout, přenést a položit předměty nebo kapičky kapaliny bez jakéhokoliv fyzického doteku," zdůraznil Hoshi. Proto má podle něj ultrazvuková levitace uplatnění v laboratorním výzkumu.
"Nebo také v ovládání počítače a herním světě," spekuluje Hoshi. "Sledovat, jak se před vašima očima ve vzduchu vznáší počítačem řízený předmět, to je úplně nový zážitek."
