Francis en #rosavientos: Un rayo tractor acústico para levitar objetos

Por Francisco R. Villatoro, el 8 noviembre, 2015. Categoría(s): Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Física • Nature • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 1

Dibujo20151107 acoustic tractor beam with artistic mode representation

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

En las películas y series de ciencia ficción, como Star Trek y Star Wars, aparece una tecnología que permite capturar y mover las naves especiales sin contacto alguno. Científicos británicos y de la Universidad Pública de Navarra han construido el rayo tractor sónico más avanzado del mundo, capaz de hacer levitar y manipular con extremo detalle pequeños objetos (de tamaño milimétrico). Estas pinzas acústicas son ondas de ultrasonidos lanzadas desde 64 altavoces. El primer autor del estudio, que se publica en Nature Communications, es un joven informático de la Universidad Pública de Navarra, España.

El artículo es Asier Marzo, Sue Ann Seah, Bruce W. Drinkwater, Deepak Ranjan Sahoo, Benjamin Long, Sriram Subramanian, “Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects,” Nature Communications 6: 8661 (27 Oct 2015), doi: 10.1038/ncomms9661; en este blog puedes ver un vídeo ilustrativo en “Un rayo tractor acústico para levitar y manipular objetos,” LCMF, 28 Oct 2015.

Más información en “Un rayo tractor como el de Star Trek hace levitar objetos,” Agencia SINC, 27 Oct 2015; Antonio Martínez Ron, “Cuando el sonido te atrapa… literalmente,” Next, Vozpópuli, 27 Oct 2015; María Pérez Ávila, “Levitar objetos con música,” Ciencia, El Mundo, 27 Oct 2015;

Dibujo20151107 Twin trap generated with a flat 20 by 20 array 12 cm above the centre ncomms9661-f3

En películas y series de ciencia ficción como Star Wars o Star Trek aparecen rayos tractores. Una tecnología capaz de capturar y mover naves espaciales sin ningún contacto físico. ¿La ciencia actual permite que esta tecnología sea posible? El rayo tractor es una tecnología que ha fascinado a los científicos e ingenieros durante décadas. En la ciencia ficción los rayos tractores funcionan en el vacío del espacio interestelar, por ello deben estar basados en ondas electromagnéticas (como la luz). La energía de estas ondas depende de su frecuencia o color; la luz visible por nuestros ojos es muy poco energética, mucho menos que la luz ultravioleta o los rayos X, pero más energética que la luz infrarroja y mucho más energética que las ondas de microondas y muchísimo más energética que las ondas de radio. Además de la energía es importante el tamaño de las ondas, la llamada longitud de onda. Imaginemos las olas que llegan a la orilla en una playa. La distancia entre cada dos olas que llegan a la orilla es el doble de la longitud de onda de las olas. Para que un rayo tractor pueda mover una nave espacial con cierto tamaño es necesario usar ondas cuya longitud de onda sea más grande que dicho tamaño; para un nave espacial con varios metros de diámetro hay que usar ondas con una longitud de onda de dicho tamaño, es decir, ondas de radio tipo onda media. El problema es que estas ondas tienen una energía muy pequeña comparada con la energía de la luz visible o con los rayos X. Por ello se necesita una potencia enorme para fabricar un rayo tractor que pueda mover una nave espacial, tanta potencia que puede provocar daños estructurales en la propia nave espacial. Un rayo tractor óptico para naves espaciales está más allá de lo que podemos concebir con la tecnología actual. Ello no impide que en laboratorio haya rayos tractores basados en láseres (las llamadas pinzas ópticas) que permiten manipular objetos muy pequeños. Usando luz visible o infrarroja se ejercen fuerzas de piconewtons (billonésimas de newton) que permiten manipular objetos más pequeños que la punta de un alfiler, como células vivas en microscopio. Manipular objetos más grandes usando luz es imposible porque necesitamos ondas con una potencia enorme y con una longitud de onda similar al tamaño del objeto. Los rayos tractores basados en ondas electromagnéticas en el vacío que aparecen en la ciencia ficción son imposibles, pero hay una alternativa. Aprovechar el aire de nuestra atmósfera para usar ondas sonoras para desarrollar pinzas acústicas y rayos tractores sónicos que permitan manipular objetos pequeños, como levitar una pequeña esfera de plástico en el aire.

Dibujo20151107 Vortex trap generated with a flat 20 by 20 array 12 cm above the centre ncomms9661-f4

Estos rayos tractores basados en sonido permiten que un objeto pequeño levite en el aire en contra de la gravedad, ¿se podrían usar para hacer levitar a una persona en el aire? Todavía no es posible hacer levitar a una persona usando un rayo tractor acústico. Por un lado la longitud de onda del sonido tiene que ser superior a varios metros, es decir, frecuencias inferiores a unos 100 hercios (Hz), infrasonidos. Y por otro lado, la potencia acústica debe ser enorme para compensar el peso de la persona en contra de la fuerza de la gravedad. En los laboratorios hay sistemas que permiten levitar en el aire un objeto de unos pocos gramos usando potencias acústicas superiores a 150 dB. Para levitar una persona se requieren potencias acústicas que provocarían daños irreparables en su oído y en su propio cuerpo. Sin embargo, levitar objetos pequeños, como pequeños insectos, es posible mediante sistemas de pinzas acústicas. Estos sistemas de levitación son muy interesantes para muchas aplicaciones porque permiten emular en tierra firme y a bajo coste el entorno de microgravedad que se tiene en el espacio. Esta semana ha sido noticia un joven investigador español, Asier Marzo, de la Universidad Pública de Navarra, es el autor principal de un estudio en el que colaboran científicos británicos que ha desarrollado un rayo tractor sónico capaz de levantar y manipular pequeños objetos. Estas “pinzas acústicas” usan ondas de ultrasonidos (más allá de las frecuencias audibles por el oído humano) lanzadas desde 64 pequeños altavoces que pueden atrapar, levantar y mover pequeños objetos, como bolitas de plástico de menos de 1 mm de diámetro. La ventaja de los ultrasonidos es que se pueden propagar por el aire, por el agua o incluso por tejidos vivos para hacer levitar objetos de diferentes tamaños y materiales, como gotas de líquidos o incluso células vivas. Estos sistemas acústicos permiten manipular los objetos sin necesidad de tocarlos, ni contaminarlos. Ya existían las pinzas acústicas, pero eran sistemas formados por trampas que envuelven el objeto por todos lados con emisores de ultrasonidos. El nuevo sistema es un rayo tractor acústico que logra atrapar y manipular objetos desde una dirección frontal, sin necesidad de envolver el objeto por todos lados.

Dibujo20151107 Bottle trap generated with a flat 20 by 20 array 12 cm above the centre ncomms9661-f5

Este sistema acústico de manipulación de pequeños objetos es una nueva tecnología desarrollada por investigadores españoles y británicos, ¿qué aplicaciones prácticas puede tener? En este nuevo estudio ha colaborado una compañía llamada Ultrahaptics, una spin-off que nació en el año 2013 en la Universidad de Bristol, Gran Bretaña, que desarrolla tecnologías hápticas, es decir, para la interacción entre máquinas y humanos a través del tacto. Se espera que el nuevo sistema sea el prototipo de futuros dispositivos comerciales de micromanipulación de objetos que explote a nivel comercial la compañía Ultrahaptics. El nuevo rayo tractor sónico, que se ha publicado en la revista científica Nature Communications, promete una amplia gama de aplicaciones, como el transporte y la manipulación de objetos delicados para su ensamblaje en líneas de producción industriales; las pinzas acústicas evitan el contacto físico y con ello posibles daños a estos objetos. También se piensa que podría tener aplicaciones biomédicas; una versión en miniatura podría capturar y transportar cápsulas de medicamentos o incluso instrumentos microquirúrgicos a través de tejidos vivos. Estos son ejemplos del gran espectro de aplicaciones que podría tener el nuevo rayo tractor sónico que han desarrollado el español Asier Marzo y sus colegas. Debemos ser cautos, porque todavía estamos hablando de investigación básica y todas estas aplicaciones requieren desarrollos futuros, algunos de los cuales ya están en curso. Las pinzas acústicas y otros sistemas similares de manipulación de objetos ya existían. Pero el nuevo diseño permite un grado de manipulación sin precedentes hasta ahora. Sin lugar a dudas poder manipular objetos pequeños como si estuvieran en un entorno de microgravedad, moverlos en tres dimensiones e incluso rotarlos, podría ser de gran utilidad en muchísimas aplicaciones industriales.

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En un concierto con la música alta todos hemos notado como nos vibra el pecho. Esta fuerza nos empuja pero no nos atrapa. ¿Cómo se puede lograr que el sonido atrape un objeto y lo ponga a levitar en el aire contra la gravedad? Para hacer levitar objetos usando ondas ópticas o acústicas lo habitual es usar las llamadas pinzas ópticas o pinzas acústicas que actúan como trampas para las objetos. La idea es muy antigua y su formulación matemática se remonta a los trabajos en 1962 del físico ruso Lev P. Gor’kov. Las primeras pinzas ópticas las desarrolló el físico estadounidense Arthur Ashkin en la década de los 1970, pero estos sistemas ópticos permitían manipular objetos microscópicos. Las primeras pinzas acústicas que permitían manipular pequeños objetos macroscópicos se desarrollaron en la década de los 1980. Estos sistemas de pinzas realmente no son rayos tractores porque usan una trampa de ondas que encajona el objeto; el emisor de las ondas está en la base de la trampa y se coloca un reflector apropiado encima del objeto. Gracias a ello el objeto está atrapado en una caja de ondas, sean ópticas o acústicas, que ejerce fuerzas por debajo y por encima del objeto permitiendo que levite en el aire. En el año 2006 se usaron estas trampas acústicas con ultrasonidos a 16,7 kHz (cuya longitud de onda es de 20,3 mm en el aire a temperatura ambiente) para levitar pequeños animales vivos, como hormigas, escarabajos y arañas durante más de 30 minutos; dicen los investigadores que tras la levitación todos estos animales volvieron a su vida normal sin daño físico aparente. Pero estos sistemas de trampas acústicas no son rayos tractores. Para desarrollar un rayo tractor como tal hay que enviar las señales acústicas desde varios micrófonos con cierto ángulo de tal forma que actúen como unas pinzas para atrapar objetos. Este diseño es el que han logrado el español Asier Marzo, de la Universidad Pública de Navarra, y sus colegas. De hecho han presentado tres diseños diferentes de rayos tractores que permiten una manipulación muy precisa de los objetos que se ponen a levitar. Realmente es apasionante lo que la ciencia, con colaboración española, puede llegar a lograr.

Dibujo20151107 The holographic method traps combining holographic signature with holographic focusing element ncomms9661-f7

¿Exactamente como funcionan estos nuevos sistemas de rayos tractores sónicos y cuáles son sus novedades respecto a diseños de pinzas acústicas ya existentes? La clave de las nuevas pinzas acústicas diseñadas por Asier Marzo, de la Universidad Pública de Navarra, y sus colegas es el uso de técnicas holográficas, similares a las usadas para desarrollar hologramas ópticos a los que estamos ya muy habituados. Estas técnicas permiten un control del sonido en un grado que nunca antes se había logrado. Se genera el equivalente acústico a un holograma que permite manipular varios objetos en tiempo real sin contacto alguno con estas. Un software por ordenador calcula el sonido que tiene que emitir cada uno de los altavoces para que el campo acústico proyectado sobre el objeto sea óptimo y permita su manipulación en detalle. Gracias a ello además de levitar objetos, se pueden atraer y alejar en el eje vertical, mover en el plano horizontal e incluso ponerlos a rotar sobre cierto eje. El sistema está formado por 64 altavoces de ultrasonidos a 40 kHz (cada uno tiene un diámetro de 10 mm) que crean ondas de ultrasonidos que varían en frecuencia e intensidad creando un campo de fuerzas que sostiene a un pequeño objeto (una esfera de poliestireno de entre 0,6 y 3,1 mm de diámetro) haciéndolo levitar en el aire en contra de la gravedad. En el nuevo estudio se han presentado tres diseños diferentes para la configuración de los altavoces. El primero son unas pinzas acústicas, similares a un par de dedos, que pueden mover el objeto que levita en una plano horizontal. El segundo es un vórtice acústico, similar a un pequeño tornado sonoro que atrapa el objeto en su centro, que permite rotar el objeto a gran velocidad. Y el tercero es un rayo tractor acústico, una especie de jaula acústica de alta intensidad que rodea y atrapa a los objetos, que los mantiene levitando en el aire y permite que suban y bajen en la dirección vertical. Los tres sistemas se pueden combinar en un sistema mixto para permitir una gran libertad en la levitación y manipulación de estos objetos. Realmente es apasionante lo que se puede lograr con estos sistemas acústicos, más aún, teniendo en cuenta que se trata de un logro en el que han intervenido investigadores españoles. La ciencia española no deja de sorprendernos.

 



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