Эффект притягивающей акустической левитации позволил создать бесконтактный станок с ЧПУ

Физики из Бразилии и США создали устройство на основе акустической левитации для переноса маленьких объектов. Благодаря тому, что контролируемый предмет левитирует на расстоянии нескольких микрон от генератора, устройство не может повредить или загрязнить объект. Это первый программируемый станок, способный перемещать объекты с помощью эффекта притягивающей левитации. Работа опубликована в Applied Physics Letters.

Контролируемое перемещение объектов малого размера имеет решающее значение в микроэлектронике, физике и биологии. В то время как в контроле больших объектов главную роль играет гравитация, манипулирование маленькими компонентами зачастую происходит поверхностными силами — например, электростатическими или ван-дер-ваальсовыми. Однако, поверхностные силы вызывают нежелательное сцепление контролируемых объектов с манипулятором, что может привести к загрязнению или повреждению хрупких деталей.

Для того, чтобы избежать этих проблем, группа физиков из Бразилии и США под руководством Асьера Марсо (Asier Marzo) построила станок для перемещения миллиметровых деталей, который работает на основе эффекта притягивающей ультразвуковой акустической левитации. Такой метод, в отличие от магнитных, оптических и аэродинамических способов бесконтактного контроля, позволяет манипулировать широким спектром материалов, включая твердые тела, жидкости и даже живые существа.

Исследователи построили компьютерную модель, которая помогла определить необходимые параметры генератора ультразвука для создания манипулятора. Для этого физики рассчитали давление акустического излучения, а из него силу, которая действует на контролируемый объект. Физики выяснили, что при разном отношении размера генератора R к длине звуковой волны λ возникающая сила может как отталкивать объект, так и притягивать. Притягивающая сила возникает из-за того, что давление излучения положительно в центральной области объекта и отрицательно на краях, а отталкивающая — наоборот. Выбрав R/λ=0,3, исследователям удалось достичь максимального эффекта притяжения.

Устройство, разработанное физиками, генерирует волны на частоте 21 килогерц для создания удерживающей силы в 0,15 миллиньютон — в результате объект постоянно находится на расстоянии в несколько микрон от генератора. Это первый раз, когда ученым удалось экспериментально продемонстрировать достаточно сильные эффекты притяжения при создании притягивающей акустической левитации.

Построенный станок с ЧПУ может захватывать и перемещать очень хрупкие объекты размером от нескольких микрон до нескольких сантиметров, такие как электромеханические устройства, кремниевые матрицы, микрооптические устройства и так далее.

Ранее мы писали о бесконтактном паяльном аппарате на основе ультразвуковой левитации, в сочетании с этим устройством у инженеров появится возможность собирать микросхемы вообще не касаясь деталей. В 2019 году на основе акустической левитации физики создали псевдоголографический дисплей и продемонстрировали объемный экран с тактильным откликом.

Михаил Перельштейн