Эффект притягивающей акустической левитации позволил создать бесконтактный станок с ЧПУ

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.