Objetos so movidos com preciso usando som

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 15/07/2024

Pinas acsticas

Em 2018, o Nobel de Fsica premiou a inveno das pinas pticas, feixes de laser que podem ser usados para manipular partculas microscpicas. Embora teis para muitas aplicaes, as pinas pticas no so perfeitas, exigindo condies estticas extremamente controladas para funcionar corretamente, alm de no serem boas para lidar com objetos que no estejam isolados uns dos outros.

Isso gerou um esforo de pesquisa para o desenvolvimento de pinas snicas, que usam ondas sonoras para movimentar objetos, em vez de luz. Os frutos dessa linha de pesquisa j incluem metamateriais acsticos para manipulao com som, levitao acstica, impresso 3D com som, tcnicas fotoacsticas incorporadas em microchips etc.

Agora, e depois de trabalhar por quatro anos nisso, Bakhtiyar Orazbayev e seus colegas da Escola Politcnica Federal de Lausanne, na Sua, finalmente conseguiram criar uma tcnica para movimentar objetos usando ondas acsticas que funciona em ambientes dinmicos e no controlados.

Na verdade, o mtodo, que a equipe chama de “modelagem do momento das ondas”, totalmente indiferente ao ambiente do objeto, ou mesmo s suas propriedades fsicas: Toda a informao necessria a posio do objeto, e as ondas sonoras fazem o resto.

“Em nossos experimentos, em vez de prender os objetos, ns os empurramos suavemente, como se voc guiasse um disco com um taco de hquei,” explicou o professor Romain Fleury, cuja equipe contou com colaboradores das universidades de Bordeaux (Frana), Nazarbayev (Cazaquisto) e Viena (ustria).

Aparato experimental usado para demonstrar a movimentao livre de objetos usando ondas snicas.
[Imagem: Bakhtiyar Orazbayev et al. – 10.1038/s41567-024-02538-5]

Modelagem do momento da onda

Se as ondas sonoras so o taco de hquei na analogia do pesquisador, ento um objeto flutuante como uma bola de pingue-pongue o disco. Nesta primeira demonstrao da tcnica, a bola flutua na superfcie de um grande tanque de gua e sua posio capturada por uma cmera suspensa acima do tanque.

Ondas sonoras audveis, emitidas por um conjunto de alto-falantes em cada extremidade do tanque, direcionam a bola ao longo de um caminho predeterminado, enquanto um segundo conjunto de microfones ouve o resultado das ondas, chamado de matriz de disperso, medida que os sons ricocheteiam na bola em movimento. Esta matriz de disperso, combinada com os dados de posio captados pela cmara, permite calcular em tempo real o momento ideal das ondas sonoras medida que elas empurram a bola ao longo do seu trajeto, ajustando o feixe acstico momento a momento.

“O mtodo est fundamentado na conservao do momento, o que o torna extremamente simples e geral, e por isso to promissor,” disse Fleury.

A modelagem do momento da onda inspirada na tcnica ptica de modelagem da frente de onda, que usada para focar a luz espalhada, mas esta a primeira aplicao do conceito ao movimento de um objeto. Alm disso, o mtodo no se limita a mover objetos esfricos ao longo de um caminho, ele tambm funcionou para controlar rotaes e para mover flutuadores mais complexos, como um ltus de origami.

O mecanismo poder ser particularmente til em pesquisas biomdicas, mas a impresso 3D tambm poder ter benefcios.
[Imagem: Bakhtiyar Orazbayev et al. – 10.1038/s41567-024-02538-5]

Aplicaes

Depois de conseguir guiar uma bola de pingue-pongue, a equipe realizou experimentos adicionais com obstculos estacionrios e mveis, projetados para adicionar falta de homogeneidade ao sistema. O sucesso na navegao da bola em torno desses objetos dispersos demonstrou que a formatao do momento das ondas funciona bem mesmo em ambientes dinmicos e no controlados.

Como o corpo humano um exemplo tpico de sistema dinmico e no controlado, a equipe acredita que o som possa se tornar uma ferramenta particularmente promissora para aplicaes biomdicas, por ser inofensivo e no invasivo. “Alguns mtodos de administrao de medicamentos j utilizam ondas sonoras para liberar medicamentos encapsulados, portanto esta tcnica especialmente atraente para empurrar um medicamento diretamente para clulas tumorais, por exemplo,” sugeriu Fleury.

O mtodo tambm pode ser um divisor de guas para anlises biolgicas ou aplicaes de engenharia de tecidos, onde a manipulao de clulas pode causar danos ou contaminao. A formatao de ondas poderia ser igualmente til para a impresso 3D, por exemplo para organizar partculas microscpicas antes de solidific-las em um objeto.

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