Учёные из Университета Хельсинки совместно с исследователями из Публичного университета Наварры и Мичиганского университета продемонстрировали технологию, которая ещё недавно показалась бы чистой фантастикой: ультразвуковую трубу, способную удерживать вещество в воздухе и вести его по заданной траектории. Невидимый канал формируется исключительно звуковыми волнами и работает без единой физической стенки.
Источник изображения — newatlas.com
Эта невесомая и невидимая труба создаётся 256 миниатюрными динамиками и способна проводить сквозь себя жидкости, газы, порошки и даже плазму — кажется, будто вещество плывёт прямо по воздуху. При этом процесс остаётся совершенно беззвучным для человека. Чтобы изменить направление потока, достаточно перестроить форму невидимого канала, поменяв работу динамиков.
«Из всех экспериментальных установок, что мне доводилось видеть, эта ближе всего к настоящему волшебству», — отмечает Ари Салми, профессор электроники Университета Хельсинки и руководитель проекта.
Идея родилась из более раннего проекта, в котором ультразвук применяли для очистки веществ, налипающих на внутренние стенки труб. Развивая эту мысль, исследователи задались вопросом: что если устранить проблему радикально — убрать сами стенки, чтобы прилипать было попросту не к чему?
Чтобы воплотить замысел, команда прошла через множество итераций с разными конфигурациями излучателей.
Итоговый прототип использует 256 миниатюрных ультразвуковых преобразователей, расположенных вокруг цилиндрической конструкции и излучающих волны частотой около 40 кГц. Точно управляя моментами излучения, учёные заставляют волны взаимодействовать и формировать акустическое поле, которое воздействует на проходящее вещество и удерживает его на нужном пути. Меняя это поле, траекторию можно изгибать и перенаправлять, не двигая ни одной физической детали. Длина прототипа — всего 8 см, а потребляет он около 50 Вт, примерно как старая лампа накаливания.
Хотя речь идёт лишь о прототипе, работа доказывает принципиальную возможность непрерывно вести через воздух вещество в разных агрегатных состояниях с помощью одного только звука. Прежние системы акустической манипуляции в основном удерживали и перемещали отдельные частицы или капли, тогда как новая установка справляется с непрерывными потоками. В экспериментах удалось провести струю воды, распределить порошки по разным ёмкостям, направить потоки тумана и газа и даже задать траекторию электрических разрядов.
Среди возможных применений команда видит бесконтактную транспортировку веществ — прежде всего агрессивных или липких материалов, которые разрушают обычные трубы или оседают на их стенках. Технология может пригодиться и для работы с особо чувствительными субстанциями, которые легко загрязнить. А электронное управление потоком открывает путь к точечной доставке материалов именно туда, где они нужны.
Пока же между прототипом и полноразмерными ультразвуковыми трубопроводами лежит немалая дистанция. Очевидное ограничение — размер трубы по сравнению с оборудованием, которое её создаёт: 256 динамиков ради канала длиной 8 см — это очень много аппаратуры. Исследователи полагают, что подобные модули можно соединять последовательно и собирать куда более длинные трубы.
Отдельный вопрос — интенсивность звука. По словам учёных, в центре трубы она сопоставима с непрерывным грохотом выстрелов прямо у уха, а снаружи устройства — с ощущением, будто стоишь рядом с работающим реактивным двигателем. К счастью, на частоте 40 кГц звук лежит за пределами слышимого человеком диапазона, так что весь этот шум остаётся неслышным. Главное — чтобы поблизости не оказалось собак.
Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.
