Звук не только для музыки или общения — он становится инструментом для точной манипуляции в подводной среде. Исследователи разработали новый метаматериал , который позволяет перемещать, вращать и позиционировать объекты под водой без какого-либо физического контакта , используя только тщательно контролируемые звуковые волны. Этот прорыв принадлежит Дацзюню Чжану , докторанту Университета Висконсин-Мэдисон. Он представил свои выводы 20 мая на 188-м заседании Акустического общества Америки и 25-м Международном конгрессе по акустике .

В основе инноваций Чжана лежит метаматериал — специально спроектированная структура, уникальные свойства которой обусловлены не ее составом, а ее точной геометрией . В этом случае поверхность метаматериала имеет пилообразный рисунок , что позволяет ему взаимодействовать со звуком необычным образом.

При воздействии ультразвуковых динамиков метаматериал отражает звуковые волны под определенными углами и с определенной силой. Изменяя характеристики звука, Чжан может генерировать различные силы акустического излучения , что позволяет ему толкать, тянуть и вращать объекты, прикрепленные к материалу, с поразительной точностью.

«Мы можем применять несколько векторов силы удаленно, без контакта, в жидких средах», — сказал Чжан. «Это может изменить то, как мы выполняем задачи под водой — или даже внутри человеческого тела».

Возможность дистанционного управления объектами в воде имеет далеко идущие последствия:

Подводная робототехника и транспортные средства : размещайте детали или инструменты при выполнении деликатных операций, не нарушая окружающую среду.
Медицинские приборы и доставка лекарств : используйте звук для управления инструментами или лекарствами в организме человека, который в основном состоит из воды.
Дистанционная хирургия : внутреннее управление хирургическими инструментами или пластырями без инвазивных процедур.
Создание таких тонко настроенных метаматериалов для подводного использования было постоянной проблемой — традиционным методам не хватает разрешения, долговечности или доступности, необходимых для практического применения. Чжан решил эту проблему, разработав новый процесс изготовления , который является недорогим, высокоразрешающим и обеспечивает высокий контраст акустического импеданса с водой, необходимый для точного управления.

«Этот метод масштабируемый и практичный», — отметил Чжан. «Он позволяет нам создавать функциональные метаматериалы, пригодные как для лабораторных экспериментов, так и для реального развертывания».

В экспериментальных тестах Чжан использовал свой метаматериал для управления различными материалами — деревом, воском, пенопластом — как плавающими, так и полностью погруженными. После прикрепления к метаматериальному пластырю каждый объект можно было перемещать в трех измерениях , используя только звук, без физического прикосновения или механической помощи.

Заглядывая вперед, Чжан планирует разработать более мелкие и гибкие метаматериальные пластыри , которые можно будет применять в биомедицинских условиях или встраивать в подводные роботизированные системы .

«Наши исследования открывают новые двери для акустических технологий манипуляции», — сказал он. «Теперь мы можем представить себе будущее, в котором звуковые волны будут управлять дистанционным движением в медицинских, промышленных или экологических целях — без необходимости контакта».

По данным лаборатории Impact