Un rayo tractor acústico para levitar y manipular objetos

Dibujo20151028 Pictures of one-sided levitation in mid-air ncomms9661-f2

Los rayos tractores son populares en la ciencia ficción (p.ej. en Star Wars la Estrella de la Muerte atrapa con uno al Halcón Milenario). En 2014 se publicó un rayo tractor acústico y este año el español Asier Marzo Pérez (Universidad Pública de Navarra) y varios colegas publica un sistema de levitación acústica que usa solo emisores capaz de mover, rotar y manipular objetos pequeños (partículas de poliestireno con radios entre 0,6 y 3,1 mm). El nuevo sistema va mucho más allá que un rayo tractor acústico.

El sistema ejerce fuerzas del orden de los micronewton y usa emisores de ultrasonidos de 40 kHz en una configuración matricial (rectangular o circular) que permite obtener tres tipos de trampas acústicas: de pinzas gemelas (tweezer-like twin trap), que permiten rotar los objetos, de vórtices tornado (twister-like vortex trap), que permiten mover los objetos en un plano, y con forma de botella (bottle-shaped trap), que permiten mover los objetos en vertical. Este último caso corresponde a un rayo tractor acústico convencional. Un logro sorprendente que ilustra a las mil maravillas el vídeo que puedes ver más abajo.

El artículo es Asier Marzo et al., “Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects,” Nature Communications 6: 8661, 27 Oct 2015, doi: 10.1038/ncomms9661 (recuerda que es de acceso gratuito). También recomiendo leer a Christine E. M. Démoré et al., “Acoustic Tractor Beam,” Phys. Rev. Lett. 112: 174302 (2014), doi: 10.1103/PhysRevLett.112.174302.

Recomiendo leer “Un doctorando de la UPNA participa en la construcción del primer rayo tractor sónico que puede levantar y mover objetos mediante ondas sonoras,” Universidad Públicad de Navarra (UPNA), 27 Oct 2015.

También menciono en esta entrada a E. H. Brandt, “Acoustic physics: Suspended by sound,” News & Views, Nature 413: 474-475 (2001), doi: 10.1038/35097192; W. J. Xie et al., “Acoustic method for levitation of small living animals,” Applied Physics Letters 89: 214102 (2006), doi: 10.1063/1.2396893; Karen Volke-Sepúlveda, “Viewpoint: A Macroscopic Tractor Beam with Acoustic Waves,” Physics 7:46 (2014), doi: 10.1103/Physics.7.46.

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=Do94PgoeBQ4]

La idea del rayo tractor apareció en la literatura de ciencia ficción gracias a Doc Smith, también conocido como Skylark Smith, el escritor estadounidense Edward E. Smith (1890–1965) en su novela Spacehounds of IPC (1931). La teoría matemática de los rayos tractores y de los sistemas de levitación óptica se basa en los trabajos teóricos del físico Lev P. Gor’kov (1962). Los primeros rayos tractores ópticos los obtuvo Arthur Ashkin en 1970, pero estos sistemas ópticos solo permiten manipular objetos microscópicos (su diámetro debe ser menor que la longitud de onda usada). Para manipular objetos macroscópicos hay que usar rayos tractores acústicos que usen ultrasonidos (para 16,7 kHz la longitud de onda es 20,3 mm en el aire a temperatura ambiente).

Dibujo20151028 Acoustic levitation of small living animals in air ant ladybug young fish - aip appl phys lett

Los primeros sistemas de levitación acústica se desarrollaron en 1985 y usaban frecuencias audibles (una sirena de 3,26 kHz permitía levitar gotas de líquidos). Estos sistemas se basan en una trampa acústica con un emisor en la base y un reflector apropiado justo encima. Gracias a ello se forma una onda acústica resonante que atrapa al objeto. En 1988 ya se logró hacer levitar una bola de acero de 1 cm de diámetro. En 2006 usando ultrasonidos 16,7 kHz se hicieron levitar pequeños animales vivos: una hormiga, un escarabajo, una araña, una mariquita, una abeja, un alevín de pescado y un renacuajo. Tras la levitación durante 30 minutos se comprobó que todos los animales volvieron a la normalidad sin daño físico aparente (aunque supongo que no les haría ninguna gracia que les pusieran a levitar sin poder escapar).

Dibujo20151028 Acoustic tractor beam Forward scattering - phys rev lett

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=Gvlnz4F5AnQ]

Estos sistemas de levitación y manipulación acústica de objetos macroscópicos son muy curiosos, pero no corresponden a un rayo tractor ya que requieren un emisor (abajo) y un reflector (arriba). Un rayo tractor de verdad requiere que haya solo un emisor. En 2014 se logró el primer rayo tractor acústico de verdad, que usaba dos emisores de sonido dirigidos a una región con forma triangular donde hay un objeto. Usando dos haces de ultrasonidos a 550 kHz se logra atraer o alejar (efecto tractor) un objeto. Sin embargo, para manipular el objeto en tres dimensiones, incluyendo su rotación se necesitan más de dos emisores.

Dibujo20151028 one-sided arrangements of transducers - Acoustic tractor beam Forward scattering ncomms9661-sf2

Usando la teoría de Gor’kov se ha implementado un algoritmo de optimización de la geometría de una red de transductores de ultrasonidos a 40 kHz (cada uno con 10 mm de diámetro) para obtener un sistema de levitación y manipulación acústica de objetos (esferas de poliestireno de menos de 3,1 mm de diámetro). Los resultados son espectaculares.

¿Se puede usar esta tecnología para hacer levitar a una persona? No, la longitud de onda tendría que ser del orden de 3 metros, es decir, frecuencias de unos 100 Hz, lo que exigiría potencias acústicas enormes (para levitar un objeto de unos pocos gramos se usan potencias superiores a 150 dB). Aún así, los sistemas de manipulación acústica de objetos en levitación son muy interesantes porque permiten emular los entornos de microgravedad en tierra a bajo coste, lo que tiene muchas aplicaciones.

PS [05 nov 2015]: Nature Video “Ultrasonic levitation” (27 Oct 2015).

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=6hE6KjLUkiw]



12 Comentarios

    1. Gabriel, el futuro colisionador chino está todavía en pañales. Muchos físicos teóricos, como Arkani-Hamed, consideran que la única posibilidad de ir más allá del LHC es un colisionador a 100 TeV y el único país que puede construirlo es China. Hay mucha presión externa para que China se comprometa en firme. Pero por ahora el tema va más despacio de lo que a muchos nos gustaría (China ahora mismo no está económicamente como estaba hace un año).

      Si quieres más detalles técnicos, hubo una conferencia antes del verano sobre el tema: “Workshop on Physics at a 100 TeV Collider” https://indico.fnal.gov/conferenceTimeTable.py?confId=7633#all.detailed La conclusión fue que, o bien China lo construye, o bien no se construye.

  1. “…se hicieron levitar pequeños animales vivos: una hormiga, un escarabajo, una araña, una mariquita, una abeja, un alevín de pescado y un renacuajo. Tras la levitación durante 30 minutos se comprobó que todos los animales volvieron a la normalidad sin daño físico aparente”.
    Me falta un dato, no se si el alevín estaba vivo o muerto al colocarlo entre el emisor y el reflector, quiero pensar que estaba muerto, porque si no… ¿No se dieron cuenta que, por accidente, también habían descubierto como mantener vivos los peces fuera del agua durante al menos 30 minutos?

    1. No, Mario, tienen que ser objetos que respondan al sonido. En plasmas hay ondas acústicas, pero confinar un plasma requiere campos electromagnéticos. Fabricar suficiente antimateria (al estilo de “Ángeles y demonios” de Brown) para que adquiera un tamaño suficiente es imposible (hoy en día). Y ‘cosas de esas’ no sé lo que significa.

  2. Está claro Francis. Confinar un plasma o no digamos ya antimateria requiere vacío o un medio muy poco denso, y el sonido no se propaga en el vacío, además de ser bastante lento. Pero eso lo de “ayudar”. Por cierto que enhorabuena por vuestro trabajo, OS sigo asíduamente y la verdad es que no hay muchos sitios en castellano con la calidad y estensión de artículos que vemos aquí.

  3. Y no se puede extrapolar estas técnicas para usar ondas electromagnéticas en vez de acústicas? Hay algún avance en rayos tractores que usen ondas electromagnéticas o luz? creo haber leído algo sobre eso no recuerdo si en este mismo blog. Saludos y gracias por tus esfuerzos por divulgar el interesante mundo de la ciencia y ponerlo al alcance del publico general a través de los diversos medios de comunicación.

    1. Por supuesto, macuto_dav, primero nacieron los ópticos y luego llegaron los acústicos. Los ópticos se usan en micromanipulación de objetos micrométricos desde el trabajo pionero de A. Ashkin, “Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure,” Phys. Rev. Lett. 24: 156-159 (1970), doi: 10.1103/PhysRevLett.24.156, y A. Ashkin, J. M. Dziedzic, “Optical Levitation by Radiation Pressure,” Appl. Phys. Lett. 19: 283 (1971), doi: 10.1063/1.1653919. Te cuenta la historia A. Ashkin, “History of optical trapping and manipulation of small-neutral particle, atoms, and molecules,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 6: 841-856 (2000), doi: 10.1109/2944.902132.

      Para algo más reciente te recomiendo Juan José Sáenz, “Optical forces: Laser tractor beams,” Nature Photonics 5: 514–515 (2011) doi: 10.1038/nphoton.2011.201.

  4. Pues está diciendo que las pequeñas longitudes de onda de la luz no sirven para objetos macroscópicos. Lo más interesante de todo esto que ahora logran es que con un campo espacial grande (molecular) acústico se levitan traccionan cosas cual si no hubiere otro campo más fino y que se nos escapa; en la virtualidad inhibe el campo cuántico gravitatorio y no lo hace con poderosos campos geomagnéticos ni láseres clase rayos X o rayos Y, solo ondas-frecuencias acústicas mucho más toscas que escurridizos fonones, de muy baja energía aunque 150dB en comparación y sin aplicar ningún escalar pseudoafectamos el misterioso campo de gravitones varios órdenes de magnitud más “pequeños”.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 28 octubre, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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