Onderzoekers slagen erin uitsluitend dankzij de kracht van ultrasoon geluid objecten te verplaatsen

Aan de Universiteit van Minnesota verplaatsen onderzoekers objecten zonder contact door ultrasone golven te sturen via metasurfaces. Hun demonstratie, in het voorjaar van 2023 gepubliceerd in Nature Communications, gaat verder dan de grenzen van klassieke akoestische manipulatie, die vaak onnauwkeurig en beperkend is. Ze maakt de weg vrij voor fijnmazige baansturing zonder ingebouwde energiebron, met voor de hand liggende toepassingen in fabricage en robotica. Er blijft wel een kanttekening: de afhankelijkheid van speciaal ontworpen metasurfaces, iets wat volgende iteraties moeten verminderen.

Wanneer ultrasoon geluid objecten zonder contact verplaatst

Objecten verplaatsen zonder ze ooit aan te raken wordt concreet dankzij onderzoekers van de Universiteit van Minnesota. Hun aanpak steunt op een synergie van ultrasoon geluid en metasurfaces, een doorbraak die in april 2023 verscheen in het tijdschrift Nature Communications. Het principe gebruikt gecontroleerde geluidsgolven om gerichte krachten op te leggen, en maakt zo contactloze manipulatie van uiteenlopende objecten mogelijk.

De grenzen van de huidige methoden

Voor deze doorbraak bestond manipulatie met ultrasoon geluid al, maar wel met duidelijke beperkingen. De systemen waren vaak groot, vereisten een nauwkeurige uitlijning tussen zenders en doel en hadden moeite met zwaardere of complex gevormde objecten. Het resultaat: inzet slechts in zeer specifieke contexten, met weinig speelruimte qua richting en stabiliteit van de beweging.

Een ingenieuze methode van de universiteit

Het team onder leiding van Ognjen Ilic omzeilde deze obstakels door metasurfaces, die akoestische golffronten kunnen vormgeven, te koppelen aan ultrasone bronnen. De ultrasone golven wekken een akoestische kracht op die, gevormd door de metasurface, zo wordt gericht dat het object in de gewenste richting wordt voortgestuwd, zonder fysiek contact of ingebouwde energiebron in het doelobject.

Volgens Ilic biedt deze vooruitgang een veel flexibelere besturing dan traditionele benaderingen, met een dynamischer manipulatie die zich aanpast aan verschillende objecttypen en scenario’s.

Veelbelovende industriële toepassingen

De potentiële impact is groot voor industrie en robotica. Concrete voorbeelden:

Assemblage van piepkleine elektronische componenten, dat een extreme precisie vereist.
Verplaatsing van objecten in steriele omgevingen, zoals farmaceutische cleanrooms.
Ondersteuning van assistentierobots, waarbij contactloze manipulatie besmetting en schade beperkt.

Belangrijk voordeel: er is geen ingebouwde energiebron in het te verplaatsen object nodig, wat het ontwerp vereenvoudigt en de integratie-eisen verlaagt.

Beperkingen, maar een enorm potentieel

Er blijven uitdagingen: het vervaardigen van specifieke metasurfaces kan op grote schaal duur of complex zijn, en het bereik van ultrasoon geluid beperkt de manipulatie voorlopig tot gematigde afstanden. Optimalisaties zijn nodig om te winnen aan efficiëntie, robuustheid en veelzijdigheid.

Toch is dit een grote stap in het beheersen van de interacties tussen geluid en materie, met een aanzienlijk innovatiepotentieel voor contactloze manipulatie in industriële en gevoelige omgevingen.