Британскими учеными создана новая технология левитации объектов

Содержание

Британские ученые считают, что человеку доступна левитация

Игнат Вершинин 22 января 2018 0

В будущем, благодаря использованию акустического захватывающего луча, можно будет поднимать тяжелые объекты в воздух, даже не прикасаясь к ним.

Первые шаги

На протяжении веков левитация человека, то есть преодоление гравитации и парение над землей, считалась либо мистической практикой, либо откровенной глупостью, однако с развитием технологий многое из того, что раньше считалось невозможным, становится явью.

Первые значимые успехи в деле левитации объектов были достигнуты в 2015 году. Группа британских ученых из Бристоля и Сассекса опубликовала в авторитетном журнале Nature Communications статью о создании установки со встроенным акустическим захватывающим лучом, который позволил создать звуковое поле для перемещения объектов без контакта с ними. Оно функционирует благодаря 64 миниатюрным динамикам, генерирующим акустические волны в ультразвуковом диапазоне. Однако размер левитирующего объекта был чрезвычайно малым, а его положение в пространстве неустойчивым из-за того, что звуковое поле сообщало объекту часть своего вращательного движения.

Левитация человека

В новой статье, опубликованной в Physical Review Letters, ученые решили эту проблему. Сделав первые шаги на этом важном направлении исследований, группа ученых из Великобритании пришла к выводу, что нестабильное вращательное движение акустического захватывающего луча можно контролировать. Для этого необходимо постоянно контролировать процесс и изменять направление скручивания специальным акустическим вихрем, что приводит к стабилизации луча. Также ученые смогли поднять в воздух более крупный объект — двухсантиметровый полистирольный шар.

Как отмечают исследователи, левитация человека и более крупных объектов, например для использования в промышленности, возможна. Однако ранее были высказаны предположения, что этого можно достичь с помощью использования звуков на более низких частотах. Такой способ не является подходящим, ведь чем ниже частота, тем более опасна она. Поэтому одним из видов оружия будущего называют звукоизлучающие устройства. Так что опубликованная статья — это еще один шаг в изучении безопасных способов преодоления одного из фундаментальных физических явлений, а именно — гравитации.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Левитация

Левитация — гипотетическое перемещение предмета по воздуху без воздействия внешних сил. Левитация как термин используется в контексте фантастического или эзотерического дискурса; в науке же левитация объясняет, к примеру, магнитную левитацию, которая лежит в основе работы маглевов — поездов на магнитной подушке. Помимо магнитной левитации существует также квантовая левитация, использующая свойства сверхпроводников при сверхнизкой температуре. Для применения квантовой левитации в повседневной жизни необходим прорыв в сфере сверхпроводников. В обычном контексте под левитацией подразумевается неподвижное парение.

Создан «акустический пинцет» для перемещения мелких объектов

Технологии, которые ранее можно было встретить только в фантастических фильмах и книгах, с каждым годом становятся все реальнее. Ученые уже давно умеют поднимать в воздух маленькие предметы при помощи невидимых звуковых волн, и этим уже мало кого удивишь. Однако исследователи из Великобритании и Испании подняли технологию на новый уровень — они заставили левитировать сразу несколько предметов. Самое интересное, что каждым из этих объектов можно управлять по отдельности, что и показано на видео.

SoundBender: новая технология ультразвуковой левитации

Уже много лет ученые со всего мира пытаются разработать эффективную технологию левитации, ведь это откроет путь не только к созданию новых транспортных средств (привет, ховерборд!), но и изменит все наше окружающее пространство. Существует масса наработок, но большинство из них крайне сложно реализуемы. Однако группа исследователей из Великобритании значительно продвинулась в этом вопросе, разработав технологию, которая может заставить объекты левитировать, даже если под ними находятся препятствия.

Ученые сделали большой шаг в разработке технологии левитации человека

Акустические тяговые лучи используют силу звука для захвата частиц прямо в воздухе и, в отличие от той же технологии магнитной левитации, способны захватывать большинство жидкостей и твердых веществ. Инженеры Университета Бристоля первыми доказали возможность стабильного управления относительно крупными объектами акустическим тяговым лучом, который в теории можно будет использовать, например, для перемещения лекарственных препаратов внутри организма. Их изобретение открывает путь к левитации человека.

Японские инженеры создали летающие живые деревья

Любая вещь становится лучше, если она умеет летать. Деревья Бонсай — не исключение. Проект на Kickstarter «Air Bonsai» соединяет в себе магнитную левитацию и выращивание домашних растений. Команда уже собрала больше требующихся 80 тысяч долларов, но вы всё ещё можете вложиться в проект — 200 долларов хватит, чтобы получить базовый комплект.

Ученые создали луч для манипуляции левитирующими предметами

Британские исследователи создали луч, способный захватывать и перемещать предметы в воздухе, не прикасаясь к ним. На первый взгляд затея похожа на старый добрый эксперимент с летающим шариком для настольного тенниса. Однако в своей разработке ученые из Бристольского университета использовали так называемые акустические голограммы, которые заставляют манипулировать левитирующими предметами. Работа устройства была продемонстрирована на видео.

Ученые смогли с помощь лазера заставить левитировать наноалмазы в вакууме

Группа исследователей из Рочестерского университета впервые в истории добилась левитации наноалмаза внутри вакуума с использованием лазерного луча. Этот прорыв может привнести существенный прогресс в развитии микроскопических датчиков и сенсоров.

10 невероятных видов транспорта, которые мы можем увидеть очень скоро

Самолеты, поезда и автомобили возили нас весь двадцатый век, но сегодня все это уже далеко не ново. Транспорт будущего будет ездить по линиям магнитной левитации, возить нас на реактивных ранцах (джетпаках) и помещаться в рюкзаке — и все это будет раньше, чем вы думаете.

Ученые переместили предметы в трехмерном пространстве, используя звуковые волны

Ученые давно уже проводят эксперименты по разработке технологии передвижения предметов с помощью звуковых волн. Но пока им удавалось осуществить левитацию только в двух плоскостях. Однако сотрудникам Токийского университета и Технологического института Нагои удалось привести в движение мелкие объекты с помощью сложной системы акустической левитации: звуковые волны перемещали частицы полистирена диаметром от 0,6 до 2 мм в трехмерном пространстве.

Акустическая левитация поможет научиться парить в пространстве

Исследователям из Швейцарской высшей технической школы Цюриха первым в мире удалось поднять в воздух и заставить перемещаться различные объекты, используя при этом только звуковые волны. Прямым доказательством реализации столь безумной затеи выступает видео ниже.

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Показана возможность создания объемного экрана с тактильным откликом на основе акустической левитации

Британские и японские инженеры создали объемный дисплей, работающий на основе акустической левитации. За вывод изображения в нем отвечает небольшой шарик, перемещаемый по рабочей зоне точными ультразвуковыми излучателями нового поколения, и ярко подсвечиваемый высокоскоростным проектором. Кроме того, устройство может воспроизводить звуки, а также создавать тактильный отклик, когда пользователь подносит палец к дисплею, рассказывают авторы статьи в Nature. Поскольку в научной фантастике зачастую используются объемные дисплеи, изображение в которых парит в воздухе, инженеры давно работают над созданием подобных технологий в реальной жизни. Как правило, объемные экраны работают благодаря оптическим эффектам. К примеру, среди таких разработок можно выделить канадский экран светового поля для телеконференций и американский настольный 3D-экран, работающий благодаря лентикулярному растру.

Ryuji Hirayama et al. / Nature, 2020

Однако такие технологии создают эффект объема внутри экрана, но не дают ощущение, что изображение парит в воздухе. Для такого эффекта инженеры несколько лет назад предложили использовать акустическую левитацию. Она работает благодаря тому, что массив ультразвуковых излучателей создает стоячие волны и стабильные области с пониженным и повышенным давлением, способные фиксировать небольшие предметы, к примеру, полистирольные шарики. Британские инженеры уже использовали этот эффект, фиксируя в воздухе массив из шариков, способных поворачиваться нужным цветом к наблюдателю, или подвешивая небольшой полупрозрачный кусочек ткани, на который проецируется изображение.

В новой работе инженеры под руководством Срирама Субраманьяна (Sriram Subramanian) из Сассекского университета создали экран, в котором одна сферическая частица способна создавать в реальном времени объемное цветное изображение. В основе устройства лежат два массива ультразвуковых излучателей (16 на 16), расположенных друг напротив друга: внизу и вверху над рабочей зоной. В верхней части сбоку от массива излучателей также установлен светодиодный проектор.

Схема работы устройства. Ryuji Hirayama et al. / Nature, 2020

Принцип работы дисплея основан на том, что устройство быстро перемещает область пониженного давления, в которой левитирует полистирольный шарик, и подсвечивает его цветом, меняющимся в зависимости от положения шарика в пространстве. На демонстрационном ролике можно видеть, что дисплей позволяет отображать видимые в реальном времени торический узел и взмахивающую крыльями бабочку. На ролике также можно видеть более впечатляющие примеры, такие как левитирующую модель Земли, однако эти кадры были сняты на гораздо большей выдержке и человек неспособен увидеть их невооруженным взглядом.

Эксперименты показали, что дисплей может разгонять шарик до скорости 3,75 метра в секунду на прямой и до 0,75 метра в секунду, когда он отрисовывает крайние и угловые детали на изображении.

Кроме отображения объемных изображений дисплей также способен создавать слышимый для человека звук и производить тактильный отклик. Для этого параметры звука на излучателях корректируются таким образом, чтобы помимо основной ловушки, используемой для левитации шарика, формировать сбоку от нее еще одну область с измененным давлением. Помещая в нее палец, пользователь может почувствовать отклик экрана.

Авторы отмечают, что характеристики видимого невооруженным взглядом изображения, в том числе размер, можно улучшить, используя более точную модель движения частицы, а также более яркий проектор. Кроме того, более точная модель позволит выделить большую долю рабочего цикла излучателей на вторичную ловушку, и тем самым усилить тактильный отклик.

Существует еще одна технология создания объемного изображения в воздухе, развиваемая японскими инженерами. Они предлагают использовать для этого лазерные излучатели, создающие в воздухе светящиеся микрокапли плазмы. Перемещая область свечения, прототип устройства способен создавать небольшие объемные фигуры прямо в воздухе, причем к ним можно прикоснуться пальцем.

Автор: Григорий Копиев
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Британские ученые (тм) физики из Университета в Бристоле разработали акустический левитатор, способный при помощи одного ультразвукового луча поднимать в воздух и удерживать объекты больше длины волны. Авторы заявили об успешном эксперименте месяц назад на страницах Physical Review Letters. Подробные данные об исследовании также опубликованы здесь

Как сообщают физики, им удалось осуществить эксперимент, благодаря созданию акустического вихря, который заставил взлететь и удерживаться над поверхностью излучателя шар диаметром полтора сантиметра. Если вы не в курсе, то раньше длина волны была принципиальным, фундаментальным ограничением для однолучевых акустических левитаторов. Ещё раньше проблемой было само создание левитатора, использующего один луч. Для получения эффекта применяли два источника ультразвука. Тема показалась мне интересной и значимой. Под катом подробнее об акустической левитации объектов и исследовании британцев.

Несколько слов об акустической левитации

Вики определяет акустическую левитацию, как “устойчивое положение весомого объекта в стоячей акустической волне.”

Это явление известно с 1934 года, когда его теоретически доказал Л.Кингом, позже в 1961 г. выводы о возможности явления сделаны Л.П.Горьковым.

Суть принципа, на котором работают акустические левитаторы, заключается в создании интерференции когерентных звуковых волн, которая приводит к возникновению локальных областей повышения давления. Благодаря этому тело может удерживаться в той или иной области пространства, а также перемещаться.

Ученые, которые занимаются темой акустической левитации, верят в большое будущее этого явления. Футуристические проекты предполагают подъем и перемещение различных объектов, оснащение левитаторами системы управления складами, применение в портах и на производствах. Однако до такой массы и размеров левитаторам пока очень далеко. Одна из областей, где такие устройства смогут проявить себя в ближайшее время — это фармакологические технологии, где для повышения степени очистки веществ существует необходимость в акустической левитации.

Лирическое отступление
В детстве, в далёких 90-х, мне доводилось играть в космическую цивилизационную стратегию Ascendancy. В ней планеты можно было оснащать т.н. tractor beam (захватным лучом), который был способен притягивать объекты из космоса. Удивился, когда дожил до момента изобретения похожего, пусть и миниатюрного, устройства.

Как размер перестал иметь значение

Ранние однолучевые акустические левитаторы разрабатывались различными учеными, в т.ч. Азьера Марцо (Asier Marzo) из Бристоля и бразильцем Марко Аурелио Бриццотти Андраде из университета Сан-Паулу. Они смогли добиться левитации объектов диаметром не более 4 миллиметра. Максимальный размер предметов, которые поднимал в воздух такой левитатор, должен был быть меньше длины стоячей волны.

На этот раз бристольские ученые смогли преодолеть это принципиальное ограничение, используя полусферическую форму устройства. Благодаря такой форме получилось создать акустические вихри, способные удержать крупный предмет. Новый сферический левитатор объединяет 192 ультразвуковых излучателя с частотой 40 кГц (длина волны при н.у. составляет 0,87 см). Излучатели смонтированы на внутренней поверхности сферы диаметром 192 мм.

Благодаря конструкции левитатора при излучении создаются несколько вихрей с одинаковой спиральностью и различными направлениями. В зоне их действия возникают локальные области высокого давления, удерживающие объект. Максимальный диаметр шара, который поднял в воздух бристольский аппарат — 1,6 см, что практически в 2 раза больше, чем длина волны, которую создает прибор. Также устройство способно изменять скорость вращения шарика, за счет изменения направления ультразвуковых вихрей.

Неожиданные двухмерные эффекты

Эксперименты ученых продемонстрировали, что при фиксации одной из координат (например, когда предмет находится на поверхности), левитатор новой конструкции способен захватывать и вращать объекты, превышающие длину волны в 5–6 раз. Этот эффект открывает новые возможности для применения устройств с акустическими вихрями. Предполагается их использование для создания центрифуг и лабораторных систем управления микро и макро частицами.

Успехи бристольской команды (Asier Marzo, Mihai Caleap и Bruce W. Drinkwater) показывают, что, вероятно, в ближайшем будущем акустические левитаторы будут применяться для создания лабораторного, а позже и промышленного оборудования.

Возможно, в обозримом будущем акустическая левитация сможет заменить магнитную, которая сегодня активно применяется для создания оригинального дизайна различных устройств, в том числе акустических систем и проигрывателей винила. Не исключено, что когда-нибудь человечество увидит и мощный акустический tractor beam (как в Ascendancy), способный фиксировать и перемещать действительно крупные объекты.

Левитация объектов разработана учеными

Изобретен новый способ левитации объектов при помощи звуковых волн. Эта система, недавно описанная в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences», предполагает также перемещение объектов в пространстве.

Процессы левитации с использованием звуковых волн ученые изучают давно, но новый метод является существенным шагом вперед в данной области, т.к. он позволяет управлять предметами, не касаясь их.

Эта инновация будет востребована, например, в сфере получения стволовых клеток, при смешивании сверхчистых смесей – в тех операциях, где необходимо избежать загрязнения от применения инструментов.

Немного об истории изучения левитации:

Ученые уже более ста лет изучают возможности парения объектов воздухе, применяя для этого звуковые волны. Принцип действия такой системы в том, что звуковые волны, при движении образующие разные по плотности участки воздуха, способны удерживать помещенный в определенную точку звуковой волны объект, — для этого требуется лишь точно сбалансировать силу гравитации с силой звуковой волны.

В левитационных системах предыдущего поколения создавались так называемые стоячие волны, для этого использовались преобразователи звуковых волн и отражатели.

Швейцарец Даниел Форести, один из авторов исследования, сравнивает стоячую волну с гитарной струной: при воздействии на струну она начинает двигаться вверх и вниз, оставаясь при этом неподвижной лишь в двух точках.

С помощью этой технологии ученым удалось поднять в воздух лабораторную мышь и капли жидкости. Но этим опытам было сложно найти практическое применение, и они скорее походили на лабораторные фокусы. С помощью нее удавалось заставить левитировать лишь довольно мелкие объекты, капли жидкости при левитации расплескивались, а главное – объекты нельзя было перемещать.

Какие возможности открывает новая технология?

Выход из положения был найден Даниелом Форести и его коллегами. При помощи крошечных, но мощных преобразователей, которые можно располагать вместе, удалось создать новый способ. Объект перемещается за счет движущейся точки равновесия, которая образуется, в свою очередь за счет отключения одного преобразователя и одновременного усиления другого. Благодаря этой технологии можно перемещать тонкие, длинные и даже тяжелые объекты, а специальная автоматическая система контроля позволяет не расплескивать капли жидкости. Объекты пока перемещаются в одном измерении, но в будущем планируется изобрести способ перемещения в двух измерениях.

Новая технология является новой вехой в изучении процессов левитации, и имеет не только теоретическое, но и практическое значение – в области стволовой медицины, для смешивания в воздухе сверхчистых смесей.

Британские ученые продемонстрировали самый мощный акустический «силовой луч»

Акустические вихри позволили создать «силовой луч», способный удерживать в воздухе макроскопические тела размерами намного больше длины звуковой волны.

«Силовые лучи», способные захватывать и перемещать предметы по воздуху, существуют не только в фантастике, но и в физике. Для этого можно использовать, скажем, давление звукового излучения, и «акустическая левитация» используется в экспериментах с микроскопическими объектами.

Используя все более мощный ультразвук и другие технические ухищрения, ученые научились удерживать в воздухе даже тельца отдельных насекомых, хотя поднять, скажем, корову – как это делают инопланетные корабли, посещающие Землю в фантастических фильмах, – невозможно даже теоретически. Показано, что объекты, размеры которых заметно превышают длину стоячей волны звука, левитируют крайне нестабильно и начинают неконтролируемо вращаться.

Однако в статье, опубликованной журналом Physical Review Letters, команда профессора Бристольского университета Брюса Дринкуотера (Bruce Drinkwater) показала, что это ограничение можно преодолеть, используя акустические вихри. Задавая направление вращения этих вихрей, ученые сумели стабилизировать «силовой луч», а затем медленно увеличивали его размеры.

В экспериментах они использовали ультразвук частотой 40 КГц, сумев удержать в воздухе полимерный шарик диаметром 2 см. «Исследователи-акустики годами мучались с этим ограничением размеров, – говорит один из авторов работы, – и то, что удалось найти способ его преодолеть, очень хорошо. Это открывает дорогу множеству приложений».

В самом деле, первое перспективное приложение новой технологии акустической левитации – тонкое управление движением частиц и капелек жидкостей в химических лабораториях и на производстве. Однако теоретически это позволит практически достичь могущества инопланетян: «В будущем, с еще более мощной акустикой, будет возможно удерживать еще более крупные объекты, – говорят британские ученые. – Прежде это считалось возможным только при помощи более низких колебаний, которые уже различимы уху и могут быть опасными».

Управляемая левитация – это уже реальность с технологией SoundBender

Научный коллектив из британского Университета Сассекса реализовал новую технологию, которая позволяет левитировать небольшие объекты под воздействием звуковых волн. Упрощенно говоря – технология SoundBender впервые в мире позволяет поднимать предметы в воздух с помощью ультразвука, обеспечивая при этом огибание препятствий и гибкое управление процессом.

Левитация – яркая демонстрация новой технологии

В общем смысле, под левитацией принято понимать такое преодоление гравитации, при котором объект просто парит над поверхностью, не касаясь при этом никаких опор. Привычный полет самолетов или птиц – это не левитация. Нередко левитацию ошибочно относят к сверхъестественным или мифическим понятиям. Тем не менее этот термин имеет вполне определенное научное определение, ведь для осуществления левитации необходимо наличие силы, которая будет компенсировать силу тяжести. В качестве источников такой силы могут выступать, например, струи газа, лазерные лучи, магнитные поля или звуковые колебания.

Авторы разработки демонстрируют возможности ультразвуковой левитации

Новая технология SoundBender, разработанная в британском Университете Сассекса профессором Ширамом Субраманяном и докторами Джанлукой Мемоли и Диего Мартинесом Пласенсией, находит свое применение во многих сферах, но именно благодаря ультразвуковой левитации привлекает к себе повышенное внимание. Реализация возможности поднятия в воздух твердых предметов и управления нежесткими объектами открывает множество новых перспектив в самых различных областях применения.

Научный прорыв – управляемые звуковые волны огибают препятствия

Основное достижение исследователей – это разработка технологии динамичного и гибкого управления звуковыми волнами с возможностью эффективного огибания препятствий. Подобные установки ультразвуковой левитации были известны и ранее, но, во-первых, они не позволяли удерживать объекты в воздухе при наличии препятствий на пути звука. А во-вторых, они не позволяли гибко управлять движением левитирующих предметов.

Левитирующий небольшой объект — звуковые волны огибают препятствие

Технология SoundBender – это гибридная система, объединяющая в особую структуру несколько источников звука – ультразвуковая фазированная решетка. Индивидуальное управление каждым источником и позволяет создавать управляемую «картину звуковых волн». Второй элемент гибридной системы SoundBender – это акустические метаматериалы, которые позволяют точно контролировать перемещение объектов. Комбинирование улучшенных структур источников звука и акустических метаматериалов позволило разработчикам получить «самоизгибающиеся лучи», которые и позволяют точно и гибко управлять левитирующими предметами.

Тактильная обратная связь за пределами препятствия

Ультразвуковая левитация имеет множество преимуществ перед левитацией с использованием, например, магнитных полей и поэтому может применяться практически ко всем объектам – включая жидкости и продукты питания. После осуществления научного прорыва исследователи сосредоточились на масштабировании своей технологии с целью управления более крупными объектами. Потенциально технология может даже обеспечить преодоление препятствий при перемещении предметов. Эта технология позволяет пользователям ощущать тактильную обратную связь за пределами препятствия, левитировать вокруг препятствия и манипулировать нежесткими объектами, такими как изменение направления пламени свечи.

Гибко управляемая ультразвуковая левитация

Успешная реализация, казавшейся фантастической управляемой левитации, может сразу же найти свое применение в различных сферах индустрии развлечений. Это и улучшенная интерактивность обучающих музейных экспонатов и настольных игр, это и возможность направлять запахи в указанные области и контролировать движение пламени свечи. Востребованной является также возможность синхронизировать движение левитирующих предметов с музыкой, а в дальнейшем – и произвольно манипулировать звуком, направляя речь и музыку в выделенные области пространства, с огибанием препятствий.

Естественно, что и в области науки новая технология может быть востребована, например, для исследования образцов в свободном парении, не касающихся стенок сосудов. Проект был финансирован за счет исследовательской и инновационной программы Европейского Союза «Горизонт 2020».

Левитация (С) Наталья Николаева

Источники:
http://hi-news.ru/tag/levitaciya
http://integral-russia.ru/2019/11/19/pokazana-vozmozhnost-sozdaniya-obemnogo-ekrana-s-taktilnym-otklikom-na-osnove-akusticheskoj-levitatsii/
http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/sila-zvuka-akusticheskaya-levitatsiya
http://www.aiportal.ru/news/levitaziya_vozmojna_iskusstvenno.html
http://naked-science.ru/article/sci/britanskie-uchenye-prodemonstrirovali
http://taratutenko.ru/upravlyaemaya-levitatsiya-v-to-uzhe-realynosty-s-tehnologiey-soundbender.html
http://www.bbc.com/russian/science/2014/06/140627_vert_fut_brain_driving

Ссылка на основную публикацию