Китайские учёные используют выгравированные волны для перемещения объектов по поверхности

Представьте себе столешницу, которая может схватить песчинку и заставить её медленно кружиться, а затем проделать то же самое с куском лёгкого пластика, который в сотни раз больше — и всё это без какого-либо механического манипулятора, касающегося обоих. Команда из Института акустики Китайской академии наук стала на шаг ближе к этой идее, сообщив о методе манипулирования объектами на поверхности в очень разных масштабах размеров.

Работа, описанная государственной научной газетой Science and Technology Daily, сосредоточена на том, что исследователи называют вихревыми волнами. Это волны, фронты которых закручиваются в спираль, неся то, что физики называют орбитальным угловым моментом. Вспомните завихрение в сливающейся воде из ванны: вращающийся поток может толкать плавающие объекты по кругу. В акустической версии звуковые волны играют ту же роль, передавая импульс всему, что находится на поверхности.

Новаторство заключается в том, как исследователи создают это завихрение. Вместо создания сложной решётки излучателей для формирования волны в реальном времени они кодируют необходимую фазовую информацию непосредственно в структуру тонкой пластины. Сама пластина затем становится машиной. При возбуждении она создаёт скручивающее движение, необходимое для захвата и перемещения объектов, находящихся на ней.

Эта простота важна. Сложные фазированные решётки дороги, энергозатратны и трудно уменьшаются. Структурированная пластина может быть тонкой, плоской и относительно дешёвой, открывая путь к поверхностям, которые тихо перемещают, вращают или собирают мелкие предметы. Команда сообщает, что объекты от субмиллиметровых частиц до лёгких структур сантиметрового масштаба могут быть захвачены и заставлены двигаться по кругу на пластине.

Акустическая манипуляция уже знакома в лабораториях, где сфокусированные звуковые поля давно используются для левитации капель и перемещения клеток в нужное положение. Большая часть этой работы происходит в заполненных жидкостью камерах. Выполнение этого на сухой поверхности в широком диапазоне размеров — более сложная задача, но с очевидной практической привлекательностью.

Возможные применения читаются как список желаний для точного производства и микроробототехники: позиционирование крошечных электронных деталей, сортировка деликатных порошков, перемещение биологических образцов без загрязнения или приведение в действие миниатюрных машин, которые ползают и вращаются на плоской сцене. Поскольку сила исходит от волн, а не от захватов, хрупкие предметы можно обрабатывать без царапин и раздавливания, которые иногда вызывают контактные инструменты.

Исследование попадает под более широкий зонтик манипуляции волновым полем — области, охватывающей акустику, оптику и механику. Та же физика, которая позволяет оптическим пинцетам удерживать одну клетку — работа, отмеченная Нобелевской премией в 2018 году, — имеет акустических родственников, действующих на более крупные объекты. Вклад китайской команды — это компактный, масштабируемый способ генерации необходимой волновой структуры.

Работа всё ещё находится на лабораторной стадии, и масштабирование структурированной пластины в практический промышленный инструмент принесёт свои собственные проблемы, включая нагрев, эффективность и необходимость управлять многими объектами одновременно. Но направление ясно. Поверхности, которые перемещают вещи, формируя волны, а не строя манипуляторы, однажды могут тихо стоять внутри фабрик, лабораторий и медицинских устройств, выполняя точную работу вообще без движущихся частей.