Sådan 3D-printer du din egen soniske traktorstråle

Sidste år Asier Marzo, da en doktorgradsstuderende ved det offentlige universitet i Navarra, hjalp med at udvikle den første enkeltsidede akustiske traktorbjælke – dvs. den første erkendelse af at fange og trække et objekt ved hjælp af lydbølger fra kun én retning. Nu forskningsassistent ved University of Bristol, Marzo har ledet et team, der tilpassede teknologien til at være, for alle hensigter, 3D-printbar af alle (med en vis samling påkrævet, selvfølgelig).

Ud over en fuldt detaljeret how-to-video, som gruppen producerede til offentligheden, resultaterne af arbejdet med at udvikle denne gør-det-selv, håndholdt akustisk traktor bjælke vil dukke op i denne uge som en åben adgang papir i Anvendt fysik bogstaver .

Sonic levitation er ikke nyt, og brugen af ​​lydbølger til at skubbe omkring makroskopiske objekter, eller skabe mønstre i hvilende sand og rindende vand, er spredt over hele YouTube og har været det i årevis. Denne teknologi, imidlertid, er ikke blot sonisk levitation, bruge lyd til at skubbe genstande rundt.

Baseret på lignende fundamental fysik, der blev brugt til at skabe optiske fælder i årtier, disse traktorbjælker er tro mod deres navn, idet de trækker genstande, at fange små perler – og endda insekter – i deres brændpunkter.

"Det vigtigste er, at det kan tiltrække partiklen mod kilden, " sagde Marzo. "Det er meget nemt at skubbe partikler fra kilden, men hvad der er svært er at trække dem mod kilden; at tiltrække partiklerne. Når du flytter traktorbjælken, partiklen bevæger sig, men ellers er fælden statisk. Det kan svæve små plastik; den kan også svæve en flue og små biologiske prøver. Det er ret praktisk."

De første versioner af enheden, der beviste konceptet muligt, var ikke meget større end disse nye, 3-D printbare versioner. Imidlertid, deres underliggende teknologi var mere kompleks og krævede dyr elektronik.

En stor del af omkostningerne opstod fra rækken af ​​aktive komponenter, der elektronisk formede lydbølger, manipulere, hvordan og hvor de interfererer for at skabe det resulterende objektfangende miljø lige over arrayet.

"Tidligere udviklede vi en traktorbjælke, men det var meget kompliceret og dyrt, fordi det krævede et fasearray, som er et komplekst elektronisk system, " sagde Marzo. "I dette papir, vi lavede en enkel, statisk traktorstråle, der kun kræver et statisk stykke stof."

Enkelheden (og overkommeligheden) af denne passive, statisk stof tilgang kommer fra den specielle arkitektur af den sag, designet til at erstatte fasearray-komponenterne og til at forme lydbølger strukturelt i stedet for elektronisk. Som lyden, som nu kan genereres fra en enkelt kilde, passerer gennem disse omhyggeligt designede elementer, bølgerne er formet af den indre struktur af det 3-D printede materiale.

"Vi kan modulere en simpel bølge ved hjælp af det, der kaldes et metamateriale, som dybest set er et stykke stof med masser af rør af forskellig længde. Lyden passerer gennem disse rør, og når den forlader metamaterialet, den har de korrekte faser til at skabe en traktorbjælke, sagde Marzo.

Med en effekt, der primært er bestemt af formen på rørene, forskerholdet fokuserede på at optimere designet for at tillade fremstilling med almindelige 3-D-printere, sikre, at den kunne konstrueres selv af hjemmehobbyister.

Ifølge Marzo, dette var primært en udfordring i løsningen, kræver et design, der ikke lider under den begrænsede præcision af lavere ende 3-D printerdyser. "Vi var nødt til at konstruere rørene meget godt for at tillade dem at blive 3-D-printede med en normal 3-D-printer. En normal 3-D-printer har mange begrænsninger, " han sagde.

Med disse begrænsninger overvundet, gruppen udviklede resten af ​​traktorens bjælkesystem ved hjælp af let tilgængelige komponenter, fra den populære open source elektronikleverandør, Arduino. De producerede endda en detaljeret how-to-video til dens konstruktion, et link, som er inkluderet nedenfor.

"Der vil være et sæt instruktioner med en liste over de nødvendige komponenter og en trin-for-trin video. Komponenterne er meget enkle, som en Arduino og en bilist, og alt kan købes på Amazon for mindre end £50 (ca. $70), " sagde Marzo.

Udover at imponere seriøst middagsgæster, disse gør-det-selv-traktorbjælker har mange potentielle anvendelser og kan endda blive et nyt værktøj til at studere lavtyngdekraftseffekter på biologiske prøver. Marzo påpegede, at denne type "mikro-tyngdekraft" forskning allerede er af interesse og opfordrede biologer til at finde deres egne applikationer til enheden.

"For nylig har der været flere papirer om, hvad der sker, hvis vi leviterer et embryo, hvordan udvikler det sig? Eller hvad sker der, hvis vi leviterer bakterier?" sagde han. "F.eks. de opdagede, at salmonella er tre gange mere [virulent], når den er leviteret. Visse mikroorganismer reagerer forskelligt på mikrotyngdekraft."

Der er tre designs af enheden, hver med fældeprofiler, der er egnede til forskellige objektstørrelser i forhold til den anvendte lydbølgelængde. Imidlertid, selv for den fulde laboratorieimplementering, hvor gruppen fanger tungere genstande og endda væsker, Det er stadig en udfordring at fange genstande større end halvdelen af ​​lydens bølgelængde. For praktiske frekvenser, lige over hvad mennesker kan høre, dette begrænser størrelsen af ​​fangbare genstande til nogle få millimeter.

Mens Marzo og hans gruppe arbejder på at overvinde denne udfordring og fortsætter med at forbedre deres traktorbjælker, demokratiseringen af ​​deres teknologi baner vejen for utallige anvendelser og tweaks fra producentsamfundet. Så, spørgsmålet er virkelig - hvad ville du gøre med din egen traktorbjælke?