声学技术新应用 | 推动气泡操纵物体

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在制造业、机器人技术和生物工程领域，将小部件组装成结构是一项复杂的工作。现有的一些方法普遍使用磁力、电力或光力在没有物理接触的情况下移动和定位物体。
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2 \* E2 @( l, U% i& @现在，一个团队已经证明声波可以在水中厘米级别的物体之间产生吸引力，使一个这样的物体精确地位于另一个物体之上（图一）。该方案使用了一组微小的、振动的气泡来提供吸引力。这种声学方法只需要简单的设备，可以提供一种廉价且通用的替代技术来操纵物体。



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$ b: o, X( v1 T9 N7 v: ^$ S研究人员正在开发利用声波定位诸如胶体粒子或生物细胞等物体的技术。吸引力是由被操纵物体的声波散射产生的。然而，这种方法的一个局限性是：用更高频率的波（因此波长更小）定位更准确，但更高频率的波也更容易被许多材料吸收和衰减。
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. \2 E) d7 c% Q, h0 p德国马克斯普朗克智能系统研究所（the Max Planck Institute for Intelligent Systems）的Athanasios Athanassiadis和他的同事们，通过使用声音来激发气泡阵列之间的吸引力解决了这个问题。



当声波振动一个物体时，从物体的一边到另一边的压力差会产生一个振荡力，如果物体是刚性的，那么在每个波周期内这个力平均为零。但是，水中的气泡会随着声音的变化而产生明显的振荡，从而产生了一种不对称：当气泡较大时，左边的压力可能更高；当气泡较小时，右边的压力可能更高，从而产生向右的合力。如果声波来源于另一个气泡的声音散射，它就会在两个气泡之间形成一个吸引力，称为次级Bjerknes力。

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这种力量相对较弱，但Athanassiadis和同事们认为，通过在小物体的表面覆盖气泡，这种力量可能被提升到足以驱动它们定位的水平。二维阵列中的每个气泡将与附近物体表面上的许多其他气泡相互作用。研究人员计算出，每个部件上成百上千个气泡的合力可能接近1毫牛顿——比同等大小的小物体之间通常可能产生的磁力强。准确的定位是可能的，因为最小的声波长是由微气泡的大小而不是物体本身设定的。
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在一对板上的非对称气泡阵列之间的力，可以产生一个扭矩，使自由板相对于下面的固定板旋转。转动惯量可以使其持续旋转。
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为了验证这一想法，研究小组用橡胶聚合物制作了1厘米的正方形平板，并在上面画上了11 × 11棋盘状的微观圆柱形凹陷。直径约300微米的气泡可以像纸箱里的鸡蛋一样放进这些洞里。当放置在水中时，这些阵列会捕获微气泡，这些微气泡仍然牢固地附着在防水表面上。
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Athanassiadis和他的同事将一个平板固定在一个盛满1毫米水的平板上，让另一个平板浮在上面，气泡阵列朝下。一个波长为450毫米的声波振动作用于平板上，激发了气泡之间的吸引力，使漂浮的平板迅速向固定的平板漂移，并旋转，直到它完全对齐，精度达到14微米。



1 X6 ^8 K% b" v- ?5 h在第二个实验中，研究人员在板上印上了一个不对称的图案，发现在这种情况下，Bjerknes力产生了一个力矩，使一个板在另一个上面连续旋转，使它成为一种电机（尽管旋转方向是随机确定的）。转动惯量使顶板旋转下去。



Athanassiadis说：“我们预计该系统将非常适合任何需要在流体环境中进行精确定位的应用。”“我目前也在探索如何将这一原理应用于微型机器人的驱动器设计，以及我们是否可以将类似的想法应用于液体环境之外。”
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