Akustični metamaterijal pomiče objekte pod vodom bez ijednog dodira

Na Sveučilištu Wisconsin-Madison razvijen je akustični metamaterijal koji omogućuje precizno upravljanje objektima pod vodom koristeći isključivo zvučne valove. Bez ikakvog fizičkog kontakta, ovaj materijal može pomicati, vući i rotirati predmete, što ga čini izuzetno primjenjivim u podvodnoj robotici, ali i potencijalno u medicinskim tehnologijama budućnosti.

Znanstvenik Dajun Zhang predstavio je rezultate istraživanja 20. svibnja na zajedničkoj konferenciji Akustičkog društva Amerike i Međunarodnog kongresa za akustiku. Njegov rad nadovezuje se na postojeće akustične tehnologije, poput korištenja zvuka za mapiranje oceanskog dna ili razbijanje bubrežnih kamenaca, ali ovaj put ide korak dalje — koristeći zvuk za aktivnu manipulaciju objektima u vodi.

Akustični metamaterijal koristi valove za pomicanje objekata u tri dimenzije

U središtu tehnologije nalazi se površina s uzorkom sličnim pilastim zubima. Taj dizajn nije estetski, već funkcionalan — oblikuje način na koji se zvučni valovi reflektiraju, stvarajući različite sile ovisno o kutu pod kojim udaraju. Kad se ti valovi usmjere na objekt povezan s metamaterijalom, moguće je vrlo precizno pomaknuti ili zakrenuti taj objekt.

Zhang je tijekom testiranja pričvrstio metamaterijal na razne predmete, uključujući drvo, vosak i plastičnu pjenu, kao i na potpuno uronjene objekte. Svi su uspješno reagirali na akustične impulse: plutajući predmeti su se pomicali i rotirali na površini, dok su uronjeni demonstrirali potpunu trodimenzionalnu kontrolu. To otvara vrata za daljinski rad pod vodom, bez mehaničkih ruku ili kablova.

“Naš akustični metamaterijal omogućuje primjenu različitih akustičnih sila na objekte u tekućinama, poput podvodnih robota, dijelova za montažu ili medicinskih uređaja i lijekova,” izjavio je Zhang. Iako primjena u kirurgiji i distribuciji lijekova još nije na dohvat ruke, ovo istraživanje postavlja temelj za buduća rješenja unutar ljudskog tijela, gdje dominira vodeno okruženje.

Nova metoda izrade donosi jeftiniju i precizniju proizvodnju

Najveća prepreka širem korištenju ovakvih materijala do sada je bila proizvodna tehnologija. Konvencionalne metode izrade podvodnih metamaterijala nisu nudile potrebnu preciznost ni svojstva, a često su bile i vrlo skupe. Zhang je stoga razvio novu tehniku proizvodnje.

“Ova metoda omogućuje visoku preciznost izrade, velik kontrast akustične impedancije u odnosu na vodu i istovremeno niske troškove proizvodnje,” objasnio je Zhang. Upravo su ti faktori ključni za široku primjenu u podvodnim sustavima i medicinskim uređajima.

Zbog činjenice da se zvuk u vodi širi gotovo četiri puta brže nego u zraku, akustična tehnologija ima prirodnu prednost u podvodnom okruženju. Na istoj konferenciji gdje je Zhang predstavio svoj rad, znanstvenik Connor Hodges sa Sveučilišta u Teksasu prikazao je novu tehniku za pronalaženje neeksplodiranih ubojitih sredstava na morskom dnu — također koristeći zvuk, ali za sigurnu detekciju bez ljudskog kontakta s opasnim objektima.

Istovremeno, tvrtka Trinity Consultants predstavila je tehnologiju za smanjenje buke podatkovnih centara, koji sve češće niču u urbanim područjima i izazivaju negodovanje susjeda.

Zhang sada planira daljnji razvoj akustičnog metamaterijala s naglaskom na fleksibilnije oblike i minijaturne strukture koje bi omogućile napredne primjene — od podvodnih robota do mikroskopskih medicinskih uređaja koji djeluju unutar tijela.

“Naše istraživanje otvara potpuno nove mogućnosti za akustične metamaterijale i daljinsko upravljanje,” zaključio je Zhang. “Ovi se materijali mogu koristiti za generiranje sila u vodi ili unutar tijela, omogućujući levitaciju, aktivaciju i preciznu manipulaciju bez fizičkog dodira.”