Ce n'est pas Mattover Hoverboard. Mais un appareil construit par une équipe en Espagne et au Royaume-Uni peut léviter et manipuler de petits objets dans l'air, et éventuellement dans l'eau et les tissus humains, en utilisant des ondes sonores à haute fréquence. La technologie est prometteuse dans une variété de domaines allant de la médecine à l'exploration spatiale.
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Les scientifiques savaient déjà que les ondes sonores créent des poches d'air sous pression oscillantes, qui peuvent exercer une force sur un objet capable de contrecarrer l'attraction de la gravité. Mais s'il existe des appareils de lévitation à ultrasons, ils reposent tous sur des ondes stationnaires, qui sont créées lorsque deux ondes sonores de même fréquence sont émises de directions opposées et se superposent. Cela signifie que tous les appareils précédents nécessitent deux jeux de transducteurs.
«Tous les lévitateurs précédents devaient entourer la particule d'éléments acoustiques, ce qui était fastidieux pour certaines manipulations», explique Asier Marzo, directeur de l'étude à l'Université publique de Navarre en Espagne. «Cependant, notre technique n’exige que les ondes sonores d’un côté. C'est comme un laser: vous pouvez léviter des particules, mais avec un seul faisceau.
Pour développer leur technologie, Marzo et ses collègues ont puisé leur inspiration dans des hologrammes visuels dans lesquels un champ lumineux est projeté à partir d'une surface plane pour produire une série de «motifs d'interférence» formant une image 3D. Les ondes sonores sont également capables de créer des motifs d'interférence, de sorte que le même principe peut être appliqué.
«En gros, nous avons copié le principe des hologrammes légers pour créer ces hologrammes acoustiques», explique Marzo, dont l'équipe décrit son travail cette semaine dans Nature Communications .
Marzo et son équipe ont disposé 64 petits transducteurs de 16 volts selon un schéma en grille. Chaque transducteur a été calibré pour émettre des ondes sonores à 40 000 Hertz, une fréquence qui dépasse de loin la sensibilité maximale de l'oreille humaine (20 000 Hz) mais est audible pour d'autres animaux tels que les chiens, les chats et les chauves-souris.
Bien que la fréquence et la puissance de chaque transducteur soient identiques, les scientifiques ont mis au point un algorithme permettant de faire varier les pics et les creux relatifs de chaque onde pour générer des motifs d'interférence et créer des objets acoustiques.
Le défi étant que ces objets acoustiques étaient inaudibles et invisibles pour l’homme, l’équipe a donc dû développer diverses simulations pour «voir» le son. Dans une approche qui rendrait tout synesthète fier, Marzo a utilisé un microphone pour échantillonner les ondes ultrasonores émises par les transducteurs, puis a transmis les données à l’aide d’une imprimante 3D, qui a ensuite été utilisée pour créer des visualisations numériques des objets auditifs.
Après avoir testé diverses formes acoustiques, l’équipe de recherche a découvert les trois solutions les plus efficaces: le piège double, qui ressemble à une paire de pincettes; le piège à tourbillon, analogue à une tornade qui suspend un objet en rotation en son centre; et le piège à bouteille, qui soulève l'objet dans l'espace vide à l'intérieur de la bouteille.
Bien que l'expérience actuelle ne soulève que de petites perles de mousse de polystyrène, Marzo pense que la technologie peut être mise à l'échelle pour différents objets en manipulant la fréquence des ondes sonores, ce qui détermine la taille des objets acoustiques, ainsi que la puissance globale du système, ce qui permet: la lévitation d'objets plus légers ou plus lourds sur de plus longues distances.
«La lévitation de particules par des transducteurs unilatéraux est un résultat incroyable qui ouvre de nouvelles possibilités pour la technologie de lévitation acoustique», déclare Marco Aurélio Brizzotti Andrade, professeur assistant de physique à l'Université de São Paulo, qui a déjà travaillé sur la lévitation basée sur le son. .
«L'une des applications de la réduction est la manipulation in vivo, c'est-à-dire la lévitation et la manipulation de particules à l'intérieur du corps», explique Marzo. «Et ces particules pourraient être des calculs rénaux, des caillots, des tumeurs et même des gélules pour l'administration ciblée de médicaments.» La lévitation ultrasonique n'interfère pas avec l'imagerie par résonance magnétique. Les médecins peuvent donc instantanément visualiser l'action lors de la manipulation in vivo .
Et lorsqu'il s'agit de ces micromanipulations dans le corps humain, la technologie de faisceau unilatéral présente un avantage considérable par rapport à la technologie à ondes stationnaires bilatérales. Pour commencer, les dispositifs de lévitation basés sur les ondes stationnaires peuvent piéger accidentellement plus de particules que les cibles prévues. "Cependant, avec des lévitateurs unilatéraux, et il n'y a qu'un seul point de piégeage", dit-il.
Marzo souligne cependant que la capacité des ultrasons à léviter de plus gros objets est limitée: «Ramasser un objet de la taille d'une balle de plage nécessiterait 1 000 Hz. Mais cela entre dans la gamme audible, ce qui pourrait être ennuyeux ou même dangereux pour l'oreille humaine. "
La technologie a également des applications prometteuses dans l’espace, où elle permet de suspendre des objets plus volumineux avec une gravité inférieure et de les empêcher de dériver sans contrôle. Mais Marzo rejette toute idée de rayon tracteur semblable à Star Trek capable de manipuler les humains sur Terre.
Sous la gravité normale, «le pouvoir nécessaire pour soulever un humain serait probablement mortel», déclare Marzo. «Si vous appliquez trop de puissance ultrason à un liquide, vous créerez des microbulles.» En d’autres termes, trop de puissance acoustique peut faire bouillir votre sang.
Dans les études à venir, Marzo espère collaborer avec des spécialistes en échographie pour perfectionner la technologie destinée aux applications médicales et élargir encore l’approche des objets de différentes tailles.
«C’est la bonne chose à propos du son», dit-il. «Vous avez une large gamme de fréquences que vous pouvez utiliser pour une variété d’applications».
