RAGGIO TRAENTE COSMICO

Un team di ricercatori inglesi ha creato dei campi acustici tridimensionali che possono assumere diverse forme. Questi campi acustici sono i primi ologrammi acustici in grado di esercitare una forza sulle particelle al fine di manipolarle e farle levitare.

Utilizzando un semplice set di altoparlanti, gli scienziati hanno trovato un modo per far levitare e ruotare su se stessi degli oggetti a mezz’aria. Se perfezionato, questo “raggio traente sonico” potrebbe avere delle applicazioni che vanno dal trattamento dei calcoli renali fino alla creazione di gravità artificiale sulla stazione spaziale internazionale.

L’utilizzo del suono per far levitare gli oggetti è una tecnica già conosciuta dagli scienziati. Il suono infatti è un’onda di pressione abbastanza forte da mettere in movimento il timpano dell’orecchio umano. Tuttavia, la levitazione sonica utilizza delle frequenze sonore che vanno al di là della portata di quelle udibili dagli esseri umani. Gli altoparlanti appositamente configurati generano delle onde sonore che possono creare una struttura portante sonica chiamata schema di interferenza, una sorta di campo di forza che può mantenere sospeso verso l’alto un piccolo oggetto.

In studi precedenti, per sollevare un oggetto, gli scienziati dovevano inserire diverse file di altoparlanti sui lati opposti oppure gli altoparlanti su un lato e dei riflettori acustici sull’altro. Nel nuovo studio, pubblicato recentemente su Nature Communications i fisici dell’Università di Bristol e dell’Università del Sussex sono riusciti ad ottenere la levitazione di un piccolo oggetto utilizzando un solo blocco di altoparlanti posizionati su un solo lato. Questo è stato possibile grazie all’impiego di uno speciale algoritmo in grado di calcolare gli schemi esatti di interferenza necessari per far levitare un oggetto utilizzando tale sistema di altoparlanti. La nuova tecnica non solo permette di muovere orizzontalmente e verticalmente gli oggetti “galleggianti” nell’aria ma anche di ruotarli, qualcosa che non era possibile ottenere con le precedenti tecniche.


Immagine 2 – Asier Marzo, PHD e principale autore dello studio mentre fa levitare una pallina di polistirolo con le onde sonore.

Inoltre, la configurazione unilaterale degli altoparlanti consente un accesso più facile e un controllo più preciso dell’oggetto fluttuante.

Il sistema (vedere Immagine 2) è composto da una matrice composta da 64 altoparlanti in miniatura che funzionano ad una frequenza di 40 KHz, 15 Vpp. L’intero sistema consuma 9 W di potenza ed è in grado di creare onde sonore ad alta intensità per far levitare una pallina sferica (fino a 4 mm di diametro) di polistirolo epanso.

«Abbiamo provato e fallito diverse volte,» scrive l’autore principale dello studio Bruce Drinkwater, ingegnere meccanico dell’Università di Bristol, UK. «Nonostante gli altoparlanti fossero configurati correttamente le particelle proiettate verso l’alto invece di levitare come previsto continuavano a cadere.» L’algoritmo è stato fondamentale per impartire il movimento ad un piccolo oggetto. Infatti è stato possibile ruotare un oggetto sul proprio asse, mantenerlo sospeso a mezz’aria e infine spostarlo da una parte all’altra senza interruzioni.

L’algoritmo “costruisce” i migliori schemi d’interferenza possibili rendendo possibile lo spostamento, la rotazione e la levitazione degli oggetti con un certo grado di libertà. Lo schema d’interferenza permette di regolare la sincronizzazione o “fase” delle onde che vengono emesse dai vari altoparlanti. Impostando le differenze di fase appena a destra i ricercatori sono riusciti a combinare le onde in modo tale da rinforzarne alcune sopprimendone altre, contemporaneamente.
In questo modo è stato possibile creare un complesso schema tridimensionale di regioni ad alta e bassa pressione che gli autori definiscono “ologramma acustico”; questo schema 3D riesce a far levitare una piccola sfera di materiale leggero vincendo così la forza di gravità.

Non appena vengono modificate le fasi cambia istantaneamente l’ologramma e ciò permette ai ricercatori di muovere la sfera in qualsiasi direzione.



L’algoritmo può creare ologrammi acustici con varie configurazioni spaziali ma, i ricercatori si sono concentrati su tre di esse: la “twin trap”, il “vortice” e la “bottiglia”. La “twin trap” pizzica un oggetto al pari di un paio di pinzette e ne permette la rotazione e il movimento. Il vortice intrappola e gira l’oggetto sul proprio asse come se si trovasse al centro di un tornado. La bottiglia infine intrappola l’oggetto come se si trovasse in un contenitore sonico mantenendolo in posizione stabile.

Tony Jun Huang, ingegnere meccanico della Pennsylvania State University spera che questo studio porti una maggiore attenzione sulla manipolazione acustica degli oggetti. «In questo campo non sono in molti a lavorare e in pochi riconoscono l’importanza del settore» scrive l’ingegnere. Il dott. Huang spera che in futuro il team del dott. Drinkwater possa lavorare insieme a biologi e medici per sperimentare le applicazioni che fino ad ora è stato semplicemente impossibile esplorare.

Infatti i ricercatori sono interessati a capire come utilizzare questa nuova tecnica per la salute delle persone. Il dott. Asier Marzo, autore principale dello studio e ingegnere computazionale all’Università di Bristol spera di riuscire ad andare avanti con il lavoro di ricerca.

«Il mio obiettivo principale per il futuro è la levitazione degli oggetti in vivo» scrive il dott. Marzo. Le onde sonore ultrasoniche sono già utilizzate sul corpo umano così, il sistema ad ultrasuoni potrebbe ad esempio essere utilizzato per rimuovere coaguli dal fegato, per somministrare farmaci sotto forma di capsule in varie parti del corpo oppure controllare strumenti microchirurgici. «Non si tratta più di sola teoria» scrive il dott. Marzo. «Ora abbiamo la prova che è possibile effettuare la levitazione di un oggetto da un solo lato e questo apre la strada a molte altre ricerche».

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