Un rayon tracteur acoustique pour nous faire léviter !

Des chercheurs ont démontré qu'il est possible de piéger de façon stable des objets plus grands que la longueur d'onde du son dans un faisceau tracteur acoustique. En théorie, cela pourrait permettre de soulever un corps humain...

Les rayons tracteurs acoustiques utilisent les ondes sonores pour manipuler des objets solides ou liquides sans les toucher. Jusqu'à présent, les chercheurs qui planchent sur la lévitation acoustique estimaient qu'elle ne pouvait s'appliquer qu'à de très petits objets ou microparticules. En effet, des essais réalisés avec des objets plus grands que la longueur d'onde n'ont pas fonctionné correctement. Car la rotation du champ sonore finit par se transmettre à l'objet qui va tourner de plus en plus vite jusqu'à être éjecté.

Mais des chercheurs de l'université de Bristol (Royaume-Uni) ont trouvé une solution qui, selon eux, pourrait même permettre de faire léviter un corps humain. Le concept repose sur la création de tourbillons acoustiques à l'aide de transducteurs dont la structure prend la forme d'une tornade qui enserre un noyau silencieux. C'est en modifiant cette structure que les chercheurs sont parvenus à piéger des objets d'une taille supérieure à ce qui s'est fait jusqu'à présent.

Un vortex virtuel piège l'objet

Dans leur article scientifique paru dans Physical Review Letters, les spécialistes expliquent comment ils parviennent à contrôler la vitesse de rotation de l'objet en jouant sur la direction de torsion des tourbillons acoustiques. (Ils enchaînent des impulsions rapides où l'hélicité des tourbillons est égale mais leur sens opposé.) « Cela produit un vortex virtuel avec une dynamique angulaire orbitale qui peut être contrôlée indépendamment de la force de piégeage », écrivent-ils.

Grâce à cette technique, il est possible d'accroître la taille du noyau silencieux au cœur du vortex sonore et de pouvoir y faire léviter des objets de plus grande taille de façon stable. Ainsi, en utilisant des ondes sonores à 40 kHz audibles seulement par des chauves-souris, les chercheurs ont pu piéger une sphère en polystyrène de deux centimètres de diamètre dans leur rayon tracteur. La taille de cette boule équivaut à deux longueurs d'onde sonore et il s'agirait du plus gros objet jamais manipulé de cette manière.

Selon l'équipe de l'université de Bristol, il serait possible d'appliquer le principe pour faire léviter des objets encore plus grands et même un corps humain. Mais il s'agit là d'une assertion théorique qui ne prend pas en compte les aléas techniques d'une mise à l'échelle du système. Toutefois, les chercheurs estiment que les rayons tracteurs acoustiques ont un « énorme potentiel dans de nombreuses applications ». Ils citent comme premier exemple l'industrie, notamment pour l'assemblage sans contact de pièces fragiles.

Un surprenant rayon tracteur qui déplace des objets grâce aux ultrasons 

Il y a quelques mois, des chercheurs du Royaume-Uni associés à une jeune pousse faisaient sensation en annonçant avoir trouvé le moyen de déplacer des objets millimétriques en se servant uniquement d'ondes sonores. Selon eux, ce rayon tracteur pourrait un jour servir de nombreuses applications, notamment pour la diffusion de traitements médicaux ou pour manipuler des matériaux délicats ou dangereux. Aujourd'hui, une équipe allemande propose de mettre en œuvre le même type de rayon tracteur mais d'une façon bien plus simple.

Un hologramme est le résultat d'un schéma d'interférences entre des ondes. Et finalement, qu'il s'agisse d'ondes lumineuses ou d'ondes sonores, le principe est le même. L'intérêt de l'hologramme acoustique, c'est notamment qu'il peut, dans la théorie, permettre de manipuler des objets sans avoir à les toucher. L'inconvénient, c'est qu'il était jusqu'alors plutôt compliqué à créer. Mais des chercheurs du Max Planck Institute for Intelligent Systems et de l'université de Stuttgart (Allemagne) proposent aujourd'hui une solution étonnamment simple pour y parvenir.

Là où leurs collègues font appel à une batterie de transducteurs subtilement accordés afin de produire le profil d'onde souhaité, les chercheurs allemands n'ont besoin que d'un seul transducteur, d'une imprimante 3D et d'un morceau de plastique.

Lorsque les ultrasons émis par le transducteur traversent le morceau de plastique préalablement façonné à l'aide de l'imprimante 3D, il apparaît des retards de phase fonctions de l'épaisseur de matière traversée par les ondes. Un jeu d'enfant... ou presque ! « Nous sommes surpris que personne n'ait eu cette idée avant nous », déclare même Peer Fischer, professeur à l'université de Stuttgart.

L'équipe a notamment fait la démonstration de son idée en faisant se déplacer des microparticules à la surface de l'eau afin qu'elles forment l'image de la célèbre Colombe de la paix de Pablo Picasso. Elle est aussi parvenue à faire se déplacer des objets en plastique le long d'un parcours défini ou à faire léviter des gouttes d'eau.

Un étrange rayon tracteur acoustique

Article initial de Marc Zaffagni, paru le 29/10/2015 à 09 h 37

Qu'il s'agisse de Star Wars, de la saga Star Trek ou de nombreux autres ouvrages de science-fiction, le concept du rayon tracteur a fait rêver des générations de passionnés. La réalité a déjà commencé à rejoindre cette fiction avec les résultats obtenus par des chercheurs américains qui ont pu créer un tel rayon à l'aide de deux faisceaux laser. Si la lumière peut donc servir à déplacer des objets, le son peut faire de même.

C'est ce que vient de démontrer une équipe de scientifiques des universités de Bristol et du Sussex (Royaume-Uni) qui a travaillé de concert avec une jeune entreprise innovante nommée Ultrahaptics. Ensemble, ils ont créé un rayon tracteur acoustique grâce auquel il est possible de faire léviter et de manipuler des objets de taille millimétrique. « Nous savons tous que les ondes sonores peuvent avoir un effet physique. Mais ici, nous sommes parvenus à contrôler le son à un degré jamais atteint jusqu'alors », assure Bruce Drinkwater, professeur à l'université de Bristol, spécialisé dans les ultrasons.

Dans leur article publié par la revue Nature Communications, les chercheurs expliquent comment ils ont réussi à maîtriser des ondes sonores à haute amplitude pour générer différents « hologrammes acoustiques ». Pour cela, ils ont utilisé 64 transducteurs à ultrasons de 10 mm de diamètre et 40 kHz. Il s'agit d'une technologie mise au point par Ultrahaptics, une start-up issue de travaux précédents de l'université de Bristol, à laquelle Futura-Sciences avait déjà consacré un article. À l'origine, le dispositif a servi à développer une interface à retour d'effet à la surface d'un écran par modulation de la pression d'air. Le système permet de ressentir les reliefs d'une interface et de la contrôler sans être en contact avec l'écran.

Des hologrammes acoustiques

Pour adapter le dispositif, le professeur Drinkwater et son équipe ont enchaîné les simulations informatiques de forces acoustiques jusqu'à trouver la bonne combinaison entre l'amplitude et le déphasage des transducteurs afin de créer les conditions d'une lévitation stable. Une vidéo de démonstration qui accompagne le texte montre des billes de polystyrène de quatre millimètres de diamètre qui lévitent, tournent et s'assemblent sous l'effet de la pression exercée par les ondes sonores.

À chaque manœuvre correspond un hologramme acoustique. Il y en a trois pour le moment :

    un hologramme qui prend la forme d'une paire de doigts ou de pinces ;
    un autre qui est un vortex au cœur duquel les objets sont agglutinés ;
    un troisième qui est une sorte de cage emprisonnant l'objet et le maintenant en suspension.

Pour le moment, le système ne fonctionne qu'avec des objets millimétriques. Pour soulever des objets plus grands, il faudrait utiliser des fréquences sonores plus basses qui entreraient dans le spectre audible, ce qui, de l'aveu des chercheurs, serait assez désagréable. La prouesse technique est intéressante, mais à quoi peut-elle servir au juste ?

À beaucoup de choses d'après les concepteurs. Dans le domaine industriel, ils envisagent des applications pour gérer la manipulation et le transport de matériaux sensibles ou dangereux tels que des médicaments ou des explosifs. « L'une de nos visions est l'usine du futur dans laquelle les produits sont déplacés uniquement par des forces acoustiques », explique Bruce Drinkwater. Il évoque également des applications à l'échelle microscopique où les rayons tracteurs pourraient être intégrés au corps humain pour disséminer des traitements de façon très ciblée ou réaliser des procédures médicales.

Ce qu'il faut retenir

 Jusqu’à présent, l’utilisation des rayons tracteurs acoustiques ne fonctionnait qu’avec des objets de petite taille.

Or, des chercheurs de l’université de Bristol (Royaume-Uni) ont mis au point une technique qui leur permet de s’affranchir de la contrainte de la taille en jouant sur la structure de tourbillons acoustiques entrelacés.

Cette innovation pourrait notamment servir à l’assemblage sans contact de pièces fragiles.

Source : https://www.futura-sciences.com