Investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities han descubierto un nuevo método para mover objetos utilizando ondas de ultrasonido. La investigación abre la puerta para el uso de la manipulación sin contacto en industrias como la fabricación y la robótica, donde los dispositivos no necesitarían una fuente de alimentación integrada para poder moverse.
Este video muestra un objeto con un patrón de metamaterial en su superficie (izquierda) controlado sin contacto por ondas acústicas (derecha). Crédito del video: Laboratorio de Nano Óptica y Mecánica, Universidad de Minnesota
Ondas de luz y sonido como fuerza motriz
Si bien se ha demostrado antes que las ondas de luz y sonido pueden manipular objetos, los objetos siempre han sido más pequeños que la longitud de onda del sonido o la luz, o del orden de milímetros a nanómetros, respectivamente. El equipo de la Universidad de Minnesota ha desarrollado un método que puede mover objetos más grandes utilizando los principios de la física de metamateriales.
Los metamateriales son materiales diseñados artificialmente para interactuar con ondas, como la luz y el sonido.
Al colocar un patrón de metamaterial en la superficie de un objeto, los investigadores pudieron usar el sonido para dirigirlo en una dirección determinada sin tocarlo físicamente.
“Hace tiempo que sabemos que las ondas, la luz y el sonido pueden manipular objetos. Lo que distingue a nuestra investigación es que podemos manipular y atrapar objetos mucho más grandes si hacemos de su superficie una superficie metamaterial o una ‘metasuperficie’”, dijo Ognjen Ilic, autor principal del estudio y profesor asistente Benjamin Mayhugh en la Universidad de Departamento de Ingeniería Mecánica de Minnesota. “Cuando colocamos estos diminutos patrones en la superficie de los objetos, básicamente podemos reflejar el sonido en cualquier dirección que queramos. Y al hacerlo, podemos controlar la fuerza acústica que se ejerce sobre un objeto”.
En la imagen de arriba, los estudiantes de la Universidad de Minnesota Matthew Stein, Yujie Luo y Sam Keller interactúan con un objeto que tiene una superficie de metamaterial. Foto de Olivia Hultgren.
Mover objetos en todas direcciones como en la ciencia ficción
Usando esta técnica, los investigadores no solo pueden mover un objeto hacia adelante, sino también atraerlo hacia una fuente, no muy diferente de la tecnología de rayo tractor en historias de ciencia ficción como Star Trek.
Su método podría resultar útil para mover objetos en campos como la fabricación o la robótica.
Figura 1: Dar forma a fuerzas sin contacto con metasuperficies que dirigen las ondas acústicas.
a) La fuerza local es proporcional al cambio de cantidad de movimiento (azul), que es controlado por la fase local . A través del diseño espacial de las celdas unitarias de sublongitud de onda ( ) de la metasuperficie, se pueden generar perfiles de fuerza complejos para habilitar nuevos mecanismos para la actuación sin contacto. b)
Las metasuperficies autoguiadas pueden autobloquearse de forma autónoma y seguir la fuente de onda remota. Su capacidad para moverse a medida que se mueve la fuente proviene de la asimetría de dispersión que fija el centro de la metasuperficie al eje de radiación de la fuente (rojo discontinuo). Por ejemplo, cuando la metasuperficie está alineada con el eje, no hay fuerza neta presente (centro); pero si la fuente se ha movido, la metasuperficie seguirá (izquierda, derecha). c) Fuerza de tracción: las metasuperficies no solo pueden ser empujadas, sino también atraídas hacia la fuente de radiación (aquí se muestra como dos ondas incidentes independientes que no interactúan).
Ventajas sobre otros métodos de movimiento sin contacto
“La manipulación sin contacto es un área candente de investigación en óptica y electromagnetismo, pero esta investigación propone otro método para la actuación sin contacto que ofrece ventajas que otros métodos pueden no tener”, dijo Matthew Stein, primer autor del artículo y estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota. «Además, fuera de las aplicaciones que permite esta investigación, ampliar nuestro conocimiento de la física es algo muy emocionante en general».
Si bien este estudio es más una demostración del concepto, los investigadores pretenden probar frecuencias más altas de ondas y diferentes materiales y tamaños de objetos en el futuro.
“En muchos campos de la ciencia y la ingeniería, especialmente en robótica, existe la necesidad de mover cosas, de transferir una señal a algún tipo de movimiento controlado”, dijo Ilic. “A menudo, esto se hace a través de ataduras físicas o teniendo que llevar alguna fuente de energía para poder realizar una tarea. Creo que estamos trazando una nueva dirección aquí y demostrando que sin contacto físico, podemos mover objetos y que el movimiento puede controlarse simplemente programando lo que hay en la superficie de ese objeto. Esto nos da un nuevo mecanismo para accionar cosas sin contacto”.
Fig. 2: Diseño de la metasuperfície acústico-mecánica y demostración de actuación.
a) La celda unitaria del bloque de construcción con profundidad variable (recuadro). La metasuperfície está optimizada para inducir una fuerte fuerza lateral paralela a su lado mayor, derivada del tensor de presión . Abajo: metasuperfície fabricada (se muestra una moneda de diez centavos como escala). b) Perfil de dispersión de la onda acústica inaudible incidente (20 kHz) que muestra el flujo de cantidad de movimiento hacia la derecha. El recuadro indica la superficie envolvente sobre la que se integra numéricamente el tensor de presión. c) Esquema de la configuración para medir la actuación de la metasuperfície (ver Fig. S1 para más detalles). d) Foto de la metasuperfície cuando se activa (Película complementaria 2 ).
Desplazamiento de la metasuperfície frente al tiempo. Las líneas discontinuas indican el encendido/apagado de la fuente de sonido. f) Desplazamiento del equilibrio de la metasuperfície frente al voltaje del transductor. Las barras de error representan la desviación estándar.
Esta investigación fue apoyada por el Instituto de Robótica de Minnesota y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Además de Ilic y Stein, el equipo de investigación incluyó al estudiante de pregrado Sam Keller del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota y al estudiante de posgrado Yujie Luo.
El estudio se publica en Nature Communications , una revista científica de acceso abierto revisada por pares. Lee el documento completo titulado «Dar forma a las fuerzas de radiación sin contacto a través de la dispersión acústica anómala», en el sitio web de Nature Communications .
Stein, M., Keller, S., Luo, Y. et al. Shaping contactless radiation forces through anomalous acoustic scattering. Nat Commun 13, 6533 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-34207-7
Fuente: Universidad de Minnesota
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