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声牵引光束可为人类的悬浮铺平道路 精选

已有 3096 次阅读 2018-1-30 00:05 |个人分类:新科技|系统分类:海外观察| 声牵引光束, 悬浮, 布里斯托尔大学

声牵引光束可为人类的悬浮铺平道路

诸平

物理学家组织网(Phys.org2018122日转载了来自布里斯托大学(University of Bristol)的消息,世界上最强大的声音牵引光束可以为人类的悬浮铺平道路。下图是来自布里斯托大学虚拟的涡流工作原理示意图:将相互作用的反方向的小漩涡释放出来,使粒子稳定下来.

Workingprinciple of virtual vortices: intertwined short vortices of oppositedirections are emitted to trap and stabilize the particle. Credit: University of Bristol

声牵引光束利用声音的力量使粒子悬浮在空中,与磁悬浮不同,它们可以抓取大多数固体或液体。布里斯托大学的工程师们已经首次证明,在声学牵引光束中,完全有可能稳定地捕捉到比声音波长更大的物体。这一发现为在体内操纵药物胶囊或微外科医疗器械打开了方便之门。如今,微妙的更大样本需要使用更小的集装箱来进行运输,也不是没有可能,并可能导致人类悬浮的更多应用。

研究人员先前认为,声学牵引光束从根本上限制了对小物体的悬浮,因为之前所有试图捕获比波长更大的粒子的尝试都是不稳定的,无法对物体旋转进行控制。这是因为旋转的声场将一些旋转运动转移到物体上,使它们能够以更快的速度旋转,直到它们被弹射出去。

但是2018122日,在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的新方法——Asier Marzo, Mihai Caleap, Bruce W. Drinkwater. Acoustic virtual vortices with tunable orbital angular momentum for trapping of Mie particles. Physical Review Letters, 2018, 120, 044301 – Published 22 January 2018. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.044301,使用了快速波动的声学涡流,类似于声音龙卷风,它是由一种类似于龙卷风的结构而组成的,围绕着一个安静的内核而发出巨大的声音。布里斯托尔大学的研究人员发现,旋转速度可以通过快速改变涡流的扭转方向来精确控制,从而稳定牵引光束。然后,他们增加安静内核的大小,让它能容纳更大的物体。研究人员在40 kHz的音高用超声波进行研究,这与只有蝙蝠能听到的声波相似。研究人员在牵引光束中持有一个2 cm的聚苯乙烯球(polystyrene sphere),用这种球体测量了两种不同声波波长,这也是在牵引光束中迄今为止最大的被困物体。研究表明,在未来,将会有更大的物体可能会以这种方式使其悬浮起来。

下面的照片是布里斯托大学提供的一种有1.6 cm的聚苯乙烯泡沫粒子(styrofoam particle)被困在40 kHz超声波虚拟涡流发生器的中心.

Fig. 1 A styrofoam particle of 1.6cm (1.88 wavelengths of sound) trapped in the centre of a 40kHz ultrasonic generator of virtual vortices. Credit: University of Bristol

来自布里斯托大学机械工程学院(Bristol's Department of MechanicalEngineering)的论文第一作者Asier Marzo博士说:“多年来,声学研究人员一直对这种规模的限制感到沮丧,所以找到一种方法来加以克服,发现结果是令人满意的。我认为这为许多新应用打开了大门。”

高级研究助理Mihai Caleap博士,是他开发了这种模拟实验,他解释说:“在未来,在拥有更多的声动力的条件之下,完全有可能可以操控更大的物体。在过去这只是被认为是有可能的,使用更低的音调来让实验听得到,而且对人类来说是危险的。”

布里斯托大学机械工程学院的超声波学教授Bruce Drinkwater是负责指导这项研究工作的。他补充说:“在许多应用中,声学牵引(Acoustic tractor beams)具有巨大的潜力。无接触生产线的设想使我特别兴奋,在此生产线上,人们无需接触就可以对精致的物体进行组装。”

Fig. 2 Styrofoam painted particles of 2 mm diameter spinning inside a regular vortex. Credit: University of Bristol

2是布里斯托大学提供的直径为2 mm的聚苯乙烯泡沫塑料颗粒,在一个普通的涡流中旋转的照片。更多信息请注意浏览原文或者参考相关网站报道。



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