Consiguen mover objetos con gran precisión con sonido
Científicos guían objetos flotantes en una carrera de obstáculos acuáticos utilizando solo ondas sonoras. El avance, inspirado en la óptica, resulta muy prometedor para aplicaciones biomédicas, como la administración no invasiva de fármacos dirigidos a dianas específicas.
Por Celia Luterbacher
En 2018, Arthur Ashkin ganó el Premio Nobel de Física por inventar las pinzas ópticas: rayos láser que pueden utilizarse para manipular partículas microscópicas. Aunque son útiles para muchas aplicaciones biológicas, las pinzas ópticas requieren condiciones estáticas extremadamente controladas para funcionar correctamente.
"Las pinzas ópticas funcionan creando un punto caliente de luz para atrapar partículas, como una pelota que cae en un agujero. Pero si hay otros objetos en las cercanías, este agujero es difícil de crear y mover", dice Romain Fleury, jefe del Laboratorio de Ingeniería de Ondas de la Escuela de Ingeniería de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza.
Fleury y los investigadores postdoctorales Bakhtiyar Orazbayev y Matthieu Malléjac han pasado los últimos cuatro años tratando de mover objetos en entornos dinámicos e incontrolados utilizando ondas sonoras. De hecho, el método del equipo —wave momentum shaping, el controla del momentum de una onda— es completamente indiferente al entorno de un objeto o incluso a sus propiedades físicas. Toda la información que se requiere es la posición del objeto, y las ondas sonoras hacen el resto.
"En nuestros experimentos, en lugar de atrapar objetos, los empujamos suavemente, como si guiaras un disco con un palo de hockey", explica Fleury.
Mover un objeto con sonido, a pesar del desorden.
El método poco convencional, financiado por el programa Spark de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (FNS), se ha publicado en Nature Physics en colaboración con investigadores de la Universidad de Burdeos (Francia), la Universidad Nazarbayev (Kazajstán) y la Universidad Tecnológica de Viena (Austria).
Muy sencillo, muy prometedor
Si las ondas sonoras son el palo de hockey en la analogía de Fleury, un objeto flotante, como una pelota de pimpón, es el disco. En los experimentos del laboratorio, la pelota flotaba en la superficie de un gran tanque de agua, y su posición era captada por una cámara aérea.
Un conjunto de altavoces situado en los extremos del tanque emitía ondas sonoras que dirigían la pelota a través de una trayectoria predeterminada, mientras que un segundo conjunto de micrófonos escuchaba la respuesta, denominada matriz de dispersión, cuando rebotaba en la pelota en movimiento. Esta matriz de dispersión, combinada con los datos posicionales de la cámara, permitió a los investigadores calcular en tiempo real el impulso óptimo de las ondas sonoras a medida que empujaban la pelota a lo largo de su trayectoria.
"El método se basa en la conservación del momento, lo que lo hace extremadamente sencillo y general, y por eso es tan prometedor", afirma Fleury. En general , la ley de conservación del momento o principio de conservación del momento establece que el momento de un sistema aislado es una constante
Añade que la conformación del momento ondulatorio se inspira en la técnica óptica de conformación del frente de onda, que se utiliza para enfocar la luz dispersa, pero esta es la primera aplicación del concepto al movimiento de un objeto. Además, el método del equipo suizo no se limita a mover objetos esféricos a lo largo de una trayectoria: también lo utilizaron para controlar rotaciones y mover flotadores más complejos, como una flor de loto de origami.
La configuración experimental, con altavoces y micrófonos en cada extremo de un tanque de agua, y objetos de dispersión vertical en el centro. Cortesía: LWE EPFL
Una vez que los científicos consiguieron guiar una pelota de pimpón, realizaron experimentos adicionales con obstáculos fijos y móviles diseñados para añadir inhomogeneidad al sistema. La navegación con éxito de la pelota alrededor de estos objetos dispersos demostró que el modelado del impulso de las ondas podía funcionar bien incluso en entornos dinámicos e incontrolados, como es le caso del cuerpo humano. Fleury añade que el sonido constituye una herramienta especialmente prometedora para aplicaciones biomédicas, ya que es inocuo y no invasivo.
"Algunos métodos de administración de fármacos ya utilizan ondas sonoras para liberar fármacos encapsulados, por lo que esta técnica es especialmente atractiva para empujar un fármaco directamente hacia las células tumorales, por ejemplo", dice Fleury.
Experimento con un loto de origami.
El método también podría cambiar las reglas del juego en aplicaciones de análisis biológico o ingeniería de tejidos en las que manipular las células tocándolas provocaría daños o contaminación. Fleury también ve aplicaciones de la impresión 3D para dar forma al impulso de las ondas, por ejemplo, para ordenar partículas microscópicas antes de solidificarlas en un objeto.
En última instancia, los investigadores creen que su método también podría funcionar con luz, pero su próximo objetivo es llevar sus experimentos basados en el sonido de la macro a la microescala. Ya han recibido financiación de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) para realizar experimentos al microscopio utilizando ondas ultrasónicas con el objetivo de mover células con precisión. ▪️
Información facilitada por la EPFL -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Orazbayev, B., Malléjac, M., Bachelard, N. et al. Wave-momentum shaping for moving objects in heterogeneous and dynamic media. Nature Physics (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02538-5
