Objetos são movidos com precisão usando som

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/07/2024

As ondas sonoras não precisam "agarrar" o objeto, elas simplesmente o empurram com precisão.
[Imagem: Bakhtiyar Orazbayev et al. - 10.1038/s41567-024-02538-5]

Pinças acústicas

Em 2018, o Nobel de Física premiou a invenção das pinças ópticas, feixes de laser que podem ser usados para manipular partículas microscópicas. Embora úteis para muitas aplicações, as pinças ópticas não são perfeitas, exigindo condições estáticas extremamente controladas para funcionar corretamente, além de não serem boas para lidar com objetos que não estejam isolados uns dos outros.

Isso gerou um esforço de pesquisa para o desenvolvimento de pinças sônicas, que usam ondas sonoras para movimentar objetos, em vez de luz. Os frutos dessa linha de pesquisa já incluem metamateriais acústicos para manipulação com som, levitação acústica, impressão 3D com som, técnicas fotoacústicas incorporadas em microchips etc.

Agora, e depois de trabalhar por quatro anos nisso, Bakhtiyar Orazbayev e seus colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, finalmente conseguiram criar uma técnica para movimentar objetos usando ondas acústicas que funciona em ambientes dinâmicos e não controlados.

Na verdade, o método, que a equipe chama de "modelagem do momento das ondas", é totalmente indiferente ao ambiente do objeto, ou mesmo às suas propriedades físicas: Toda a informação necessária é a posição do objeto, e as ondas sonoras fazem o resto.

"Em nossos experimentos, em vez de prender os objetos, nós os empurramos suavemente, como se você guiasse um disco com um taco de hóquei," explicou o professor Romain Fleury, cuja equipe contou com colaboradores das universidades de Bordeaux (França), Nazarbayev (Cazaquistão) e Viena (Áustria).

Aparato experimental usado para demonstrar a movimentação livre de objetos usando ondas sônicas.
[Imagem: Bakhtiyar Orazbayev et al. - 10.1038/s41567-024-02538-5]

Modelagem do momento da onda

Se as ondas sonoras são o taco de hóquei na analogia do pesquisador, então um objeto flutuante como uma bola de pingue-pongue é o disco. Nesta primeira demonstração da técnica, a bola flutua na superfície de um grande tanque de água e sua posição é capturada por uma câmera suspensa acima do tanque.

Ondas sonoras audíveis, emitidas por um conjunto de alto-falantes em cada extremidade do tanque, direcionam a bola ao longo de um caminho predeterminado, enquanto um segundo conjunto de microfones ouve o resultado das ondas, chamado de matriz de dispersão, à medida que os sons ricocheteiam na bola em movimento. Esta matriz de dispersão, combinada com os dados de posição captados pela câmara, permite calcular em tempo real o momento ideal das ondas sonoras à medida que elas empurram a bola ao longo do seu trajeto, ajustando o feixe acústico momento a momento.

"O método está fundamentado na conservação do momento, o que o torna extremamente simples e geral, e por isso é tão promissor," disse Fleury.

A modelagem do momento da onda é inspirada na técnica óptica de modelagem da frente de onda, que é usada para focar a luz espalhada, mas esta é a primeira aplicação do conceito ao movimento de um objeto. Além disso, o método não se limita a mover objetos esféricos ao longo de um caminho, ele também funcionou para controlar rotações e para mover flutuadores mais complexos, como um lótus de origami.

O mecanismo poderá ser particularmente útil em pesquisas biomédicas, mas a impressão 3D também poderá ter benefícios.
[Imagem: Bakhtiyar Orazbayev et al. - 10.1038/s41567-024-02538-5]

Aplicações

Depois de conseguir guiar uma bola de pingue-pongue, a equipe realizou experimentos adicionais com obstáculos estacionários e móveis, projetados para adicionar falta de homogeneidade ao sistema. O sucesso na navegação da bola em torno desses objetos dispersos demonstrou que a formatação do momento das ondas funciona bem mesmo em ambientes dinâmicos e não controlados.

Como o corpo humano é um exemplo típico de sistema dinâmico e não controlado, a equipe acredita que o som possa se tornar uma ferramenta particularmente promissora para aplicações biomédicas, por ser inofensivo e não invasivo. "Alguns métodos de administração de medicamentos já utilizam ondas sonoras para liberar medicamentos encapsulados, portanto esta técnica é especialmente atraente para empurrar um medicamento diretamente para células tumorais, por exemplo," sugeriu Fleury.

O método também pode ser um divisor de águas para análises biológicas ou aplicações de engenharia de tecidos, onde a manipulação de células pode causar danos ou contaminação. A formatação de ondas poderia ser igualmente útil para a impressão 3D, por exemplo para organizar partículas microscópicas antes de solidificá-las em um objeto.

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