Un dispositif, mis au point par une équipe de scientifiques espagnols et anglais, peut léviter et manipuler de petits objets dans l’air et peut-être dans l’eau et les tissus humains, grâce à des ondes sonores à haute fréquence. Cette technologie pourrait être utilisée dans une variété de domaines, allant de la médecine à l’exploration spatiale.
Image d’entête : représentation artistique d’un hologramme acoustique piégeant une particule sur un dispositif de lévitation. (Asier Marzo / Bruce Drinkwater / Sriram Subramanian)
Les scientifiques savaient déjà que les ondes sonores créent des poches d’air sous pression oscillant, ce qui peut produire une force susceptible de contrecarrer celle de la gravité. Des dispositifs de lévitation à ultrasons existent, mais ils reposent tous sur des ondes stationnaires, qui sont créées lorsque deux ondes sonores de même fréquence sont émises à partir de directions opposées et superposées les unes sur les autres. Cela signifie que tous les dispositifs précédents ont besoin de deux ensembles distincts de transducteurs.
Selon le responsable de l’étude, Asier Marzo de l’université Publique de Navarre en Espagne :
Les précédents “lévitateurs” devaient entourer la particule avec des éléments acoustiques, ce qui était encombrant / non adapté pour certains types de manipulations. Notre technique, cependant, ne nécessite que des ondes sonores à partir d’un côté. Il est similaire à un laser, vous pouvez léviter les particules, mais avec un seul faisceau.
Pour développer leur technologie, Marzo et ses collègues se sont inspirés des hologrammes visuels, dans lesquels un champ de lumière est projeté à partir d’une surface plane pour produire une série de “modèles d’interférences” qui forment une image 3D. Les ondes sonores sont également capables de produire des modèles d’interférences, de sorte que le même principe peut être appliqué.
Fondamentalement, nous avons copié le principe des hologrammes de lumière pour créer ces hologrammes acoustiques.
Marzo et son équipe ont disposé 64 petits transducteurs de 16 volts dans une structure en forme de grille. Ils ont été calibrés 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 qui est audible pour d’autres animaux, comme les chiens, les chats et les chauves-souris.
Bien que la fréquence et la puissance de chaque transducteur furent identiques, les scientifiques ont développé un algorithme qui fait varier les pics et les creux de chaque onde pour générer des modèles d’interférence et créer des objets acoustiques.
Le problème est que ces objets acoustiques étaient inaudibles et invisibles pour les humains, donc l’équipe a dû développer différentes simulations pour "voir" le son. Pour ce faire, Marzo a utilisé un microphone pour échantillonner les ondes ultrasonores émises par les transducteurs pour ensuite utiliser ses données à l’aide d’une imprimante 3D, dont ils se servaient pour créer des visualisations numériques des objets auditifs.
Après avoir testé une variété de formes acoustiques, l’équipe de recherche a sélectionné les trois plus efficaces : le “double piège”, qui ressemble à une paire de pinces à épiler, le “piège de vortex”, analogue à une tornade qui suspend un objet, tournant sur lui-même, en son centre et le “piège de la bouteille”, qui fait léviter l’objet dans l’espace vide à l’intérieur de la bouteille.
Bien que l’expérience actuelle a seulement levé de petites perles de polystyrène, Marzo estime que la technologie peut être mise à l’échelle pour différents objets en manipulant la fréquence des ondes sonores, qui détermine la taille des objets acoustiques, ainsi que la puissance globale du système, ce qui permet la lévitation d’objets légers ou plus lourds sur de longues distances.
Elle permettrait, par exemple, de réaliser des manipulations in vivo dans le corps. Les particules déplacées pourraient être des calculs rénaux, des caillots, des tumeurs et même des capsules pour l’administration ciblée de médicaments. La lévitation à ultrasons a l’avantage de ne pas interférer avec l’imagerie par résonance magnétique (IRM), ainsi les médecins pourraient visualiser l’action lors de la manipulation in vivo.
Ce faisceau à partir d’un seul côté a un énorme avantage sur la technologie des ondes stationnaires à partir des deux côtés. Les dispositifs de lévitation basés sur les ondes stationnaires piègent accidentellement d’autres particules que les cibles visées. Cependant, avec les “lévitateurs unilatéraux” et il y a seulement un point de capture, selon les scientifiques.
Cependant, Marzo souligne que les ultrasons ont une capacité limitée à léviter des objets plus grands : un ballon de plage exigerait 1000 Hz ce qui le rend audible, voir dangereux pour l’oreille humaine.
Cette technologie a aussi des applications prometteuses dans l’espace, où elle peut suspendre des objets plus grands en microgravité et les empêcher de dériver de manière incontrôlée. Mais Marzo rejette toute idée d’un rayon tracteur à la Star Trek, comme capable de manipuler les humains sur Terre.
Selon Marzo :
Sous une gravité normale, la puissance nécessaire pour soulever un être humain serait probablement mortelle. Si vous appliquez trop de puissants ultrasons sur un liquide, vous allez créer des micros bulle.
En d’autres termes, trop de puissance sonore peut faire bouillir votre sang.
Dans de futures études, Marzo espère collaborer avec des spécialistes des ultrasons pour affiner la technologie pour des applications médicales et élargir l’approche à des objets de différentes tailles.
L’étude publiée dans Nature : Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects.
