Chinese wetenschappers gebruiken gegraveerde golven om objecten op een oppervlak te verplaatsen
Stel je een tafelblad voor dat een zandkorrel kan pakken en langzaam rondjes kan laten draaien, en dan hetzelfde doet met een stuk lichtgewicht plastic dat honderden keren groter is — allemaal zonder dat een mechanische arm een van beide aanraakt. Een team van het Instituut voor Akoestiek van de Chinese Academie van Wetenschappen is een stap dichter bij dat idee gekomen, met de rapportage van een methode om objecten op een oppervlak te manipuleren over zeer verschillende schaalgroottes.
Het werk, beschreven door de staatswetenschapskrant Science and Technology Daily, draait om wat onderzoekers wervelgolven noemen. Dit zijn golven waarvan de fronten in een spiraal draaien en zo wat natuurkundigen orbital angular momentum noemen, met zich meedragen. Denk aan de draaikolk in wegstromend badwater: de roterende stroming kan drijvende objecten in cirkels duwen. In de akoestische versie spelen door geluid aangedreven golven dezelfde rol, waarbij ze momentum overdragen aan alles wat op het oppervlak ligt.
De innovatie zit in hoe de onderzoekers die werveling creëren. In plaats van een complexe array van zenders te bouwen om de golf in realtime vorm te geven, coderen ze de benodigde fase-informatie direct in de structuur van een dunne plaat. De plaat zelf wordt dan de machine. Wanneer deze wordt aangestuurd, produceert hij de draaiende beweging die nodig is om objecten die erop rusten te vangen en voort te stuwen.
Die eenvoud is belangrijk. Complexe phased arrays zijn duur, energiehongerig en moeilijk te verkleinen. Een patroonplaat kan dun, plat en relatief goedkoop worden gemaakt, wat de deur opent naar oppervlakken die kleine dingen stilletjes verschuiven, laten draaien of assembleren. Het team meldt dat objecten variërend van submillimeterdeeltjes tot lichtgewicht structuren van centimeters kunnen worden gevangen en in cirkels over de plaat kunnen bewegen.
Akoestische manipulatie is al bekend in laboratoria, waar gefocuste geluidsvelden al lang worden gebruikt om druppeltjes te laten zweven en cellen op hun plaats te duwen. Het meeste van dat werk gebeurt in met vloeistof gevulde kamers. Het doen op een droog oppervlak, over een breed scala aan groottes, is een moeilijker probleem en een met duidelijke praktische aantrekkingskracht.
Mogelijke toepassingen lezen als een verlanglijstje voor precisiefabricage en microrobotica: het positioneren van kleine elektronische onderdelen, het sorteren van delicate poeders, het verplaatsen van biologische monsters zonder besmetting, of het aandrijven van miniatuurmachines die op een plat podium kruipen en draaien. Omdat de kracht van golven komt in plaats van grijpers, kunnen fragiele items worden gehanteerd zonder de krassen en verplettering die contactgereedschap soms veroorzaakt.
Het onderzoek valt onder de bredere paraplu van golfveldmanipulatie, een veld dat akoestiek, optica en mechanica omvat. Dezelfde natuurkunde die lichtpincetten een enkele cel laat vasthouden, werk bekroond met een Nobelprijs in 2018, heeft akoestische neven die op grotere objecten werken. De bijdrage van het Chinese team is een compacte, schaalbare manier om de benodigde golfstructuur te genereren.
Het werk bevindt zich nog in het laboratoriumstadium, en het opschalen van een patroonplaat naar een praktisch industrieel hulpmiddel zal zijn eigen uitdagingen met zich meebrengen, waaronder warmte, efficiëntie en de noodzaak om veel objecten tegelijk te besturen. Maar de richting is duidelijk. Oppervlakken die dingen verplaatsen door golven vorm te geven in plaats van armen te bouwen, zouden op een dag stilletjes in fabrieken, laboratoria en medische apparaten kunnen zitten, precies werk doen zonder enige bewegende delen.