Физики закрутили свет в «оптическую воронку»
Группа физиков из Австралии, США, Британии и Германии разработали новый способ захвата и концентрирования частиц с помощью лазерного излучения. Прибор, предложенный авторами, генерирует оптический конус, который позволяет направлять отдельные наноразмерные объекты в строго заданную точку фокуса с большой точностью. Описание разработки опубликовано в журнале Physical Review Applied, кратко о нем сообщает Physics.
Авторы работы воспользовались тем, что частицы, попавшие в луч лазера с неравномерной интенсивностью излучения, стремятся переместиться в точку с наименьшей плотностью энергии. Это явление связано с нагревом макроскопических частиц светом и носит название фотофореза. Слой газа, окружающий частицу, оказывается в тепловом равновесии с поверхностью частицы и внутри него возникает тепловой градиент. В результате более нагретые молекулы газа передают частице больший импульс, нежели молекулы, атакующие с холодной стороны — частица начинает смещаться в холодную область.
В новой работе физики использовали луч лазера со спирально закрученным волновым фронтом. Такой тип излучения отличается тем, что его волновой фронт является не плоскостью или сферой, как у обычных источников, а поверхностью винта. Каждый его фотон несет помимо импульса еще и угловой момент — теоретически, тело, на которое мы будем светить таким лазером, начнет вращаться благодаря передаче этого момента.
Картина интенсивности излучения в луче спирально закрученного света выглядит похожей на полую трубку: в центре наблюдается минимум, по краям — максимумы. Авторы поместили на пути такого излучения обыкновенную линзу, превратив трубку в конус.
В эксперименте луч лазера был ориентирован вертикально вверх. Физики помещали в воронку графитовый шарик массой от 1 до 100 нанограмм (миллиардных долей грамма) и изучали его поведение с помощью микроскопа, расположенного перпендикулярно лучу. Как и ожидали авторы, мощность лазера, необходимая для удержания шариков, сильно зависела от давления окружающей атмосферы. Вместе с тем, ученым удалось показать, что оптическая воронка способна концентрировать частицы в небольшой области пространства — порядка нескольких микрометров.
Главным применением для разработанной методики может стать позиционирование маленьких (субмикронных) биологических объектов для изучения их структуры. К примеру, для того, чтобы изучать структуры белков или даже вирусов с помощью XFEL — крупнейшего строящегося рентгеновского лазера — необходимо добиться того, чтобы в каждый момент лазерного импульса одна частица образца находилась в заданной 100-нанометровой области. Лучшие техники, разработанные на сегодняшний день, позволяют обеспечить точность лишь порядка 50 нанометров.
Также оптическая воронка может работать как высокоточные весы, способные определять массу микроскопических частиц в диапазоне от нескольких пикограмм (триллионных долей грамма) до десятков нанограмм.
Владимир Королёв.
Управлять им может один человек
Инженеры из немецкого стартапа FORMIC Transportsysteme разработали полуавтоматическую систему для транспортировки тяжелых крупногабаритных грузов. Ее основной компонент — шестиколесные роботизированные платформы, каждая из которых способна перевозить на себе до 2,5 тонн груза. Несколько робоплатформ могут объединяться в единую группу с грузоподъемностью до 37,5 тонн, автоматически отслеживая и синхронизируя движения между собой, сообщает New Atlas. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Когда в ограниченном пространстве производственного цеха требуется переместить объект, который имеет большие габариты и массу (крупногабаритный станок или другое тяжелое промышленное оборудование), то в такелажных работах задействуют подкатные роликовые системы перемещения. Они представляют собой отдельные небольшие тележки на роликах с плоской опорой для груза сверху. Несколько тележек подкатываются под груз и каждая принимает часть общей массы на себя. Однако существенным минусом такого подхода остается необходимость вручную контролировать дальнейшее перемещение груза. Инженеры из стартапа FORMIC Transportsysteme, созданного на базе Технологического института Карлсруэ, разработали роботизированный вариант подкатных платформ, с помощью которых можно автоматизировать процесс перемещения массивных крупногабаритных грузов. Каждая платформа представляет собой отдельного самодвижущегося робота на шести колесах — по три с каждой стороны. Благодаря такой конструкции робоплатформа способна двигаться вперед, назад, разворачиваться на месте, а также преодолевать небольшие неровности, встречающиеся на пути. https://www.youtube.com/watch?v=6JOdteRghJg Самостоятельно каждая платформа системы может перемещать на себе груз массой до 2,5 тонн и может поднимать грузы, расположенные на минимальной высоте от пола около 25 мм. Отдельные платформы способны объединяться в группу и действовать совместно как единое целое. В этом случае модули отслеживают и синхронизируют свое взаимное положение и перемещение с помощью встроенных видеокамер, а также обмениваясь радиосигналами. Управляет системой оператор с помощью пульта с джойстиками, на экране которого отображается текущее положение всех модулей, а также их взаимная ориентация относительно друг друга. К примеру, можно заставить платформы повернуть груз на месте вокруг вертикальной оси, проходящей через выбранную оператором точку. Для того чтобы выполнить эту команду, все составляющие группу модули автоматически разворачиваются на месте на нужные углы таким образом, чтобы их совместное движение в результате приводило к повороту установленного на них объекта вокруг заданной точки. Благодаря этому можно совершать точные маневры с грузом в ограниченном пространстве. https://www.youtube.com/watch?v=sKYYZj0_y0g На данный момент максимальное возможное число модулей в рое ограничено пятнадцатью из соображений безопасности управления ими, но в будущем количество может быть увеличено. Общая грузоподъемность пятнадцати робоплатформ составляет 37,5 тонн, однако, по словам разработчиков, для большинства работ будет достаточно трех, а управлять перемещением груза может один человек. Старт продаж системы должен начаться в этом году. А вот если груз упакован в контейнеры массой не более 25 килограмм, то не исключено, что работу с таким грузом в недалеком будущем можно будет доверить человекоподобному роботу Apollo, разрабатываемому американской компанией Apptronik. Несмотря на то, что Apollo позиционируется как робот общего назначения, на первое время его основной деятельностью должна стать работа с грузами на складах и в производственных помещениях.