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Montag, 05.12.2016
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Traktorstrahl aus Schallwellen

Akustische Levitation manipuliert Objekte mit bislang unerreichter Präzision

Science-Fiction-Idee mit Ultraschall: Ein neuartiger Traktorstrahl nutzt Schallwellen, um Objekte schweben zu lassen und zu manipulieren. Das Besondere dabei: Die von dem internationalen Forscherteam eingesetzten Schallwellen kommen aus nur einer Richtung und bilden ein akustisches Kraftfeld. Mit ihrem Gerät können die Forscher Schallwellen genauer manipulieren als jemals zuvor, berichten sie im Journal "Nature Communications".

Akustische Levitation mit Hilfe von Ultraschall ermöglicht den neuartigen Traktorstrahl

Traktorstrahlen gehören in der Science-Fiction schon fast zur Standardausrüstung eines Raumschiffes: Die Idee, Gegenstände ganz ohne Berührung über größere Entfernungen einzufangen, zu halten und zu bewegen ist gleichermaßen praktisch wie faszinierend. Mit verschiedenen Methoden haben Forscher bereits vergleichbare Effekte erzielt: Licht eignet sich als Werkzeug für kleine Dinge, Laserstrahlen können DNA-Moleküle, Zellen und Nanodiamanten schweben lassen. Ebenfalls hervorragend geeignet sind Schallwellen, mit denen auch größere Objekte manipulierbar sind.

Kraftfeld aus Dutzenden von Lautsprechern


Diese sogenannte akustische Levitation mit Hilfe von Ultraschall benötigte jedoch bislang zwei Elemente: Eine Schallquelle und einen Reflektor. Testobjekte konnten nur zwischen diesen beiden Elementen schweben. Wissenschaftler unter der Leitung von Sriram Subramanian von der University of Sussex haben diese Einschränkung überwunden: Sie haben einen neuartigen Traktorstrahl entwickelt, der mit Schallquellen aus nur einer Richtung auskommt.

Erstautor Asier Marzo lässt mit Ultraschallwellen ein Styroporkügelchen schweben.

Erstautor Asier Marzo lässt mit Ultraschallwellen ein Styroporkügelchen schweben.

Dazu montierten sie eine Anordnung von 64 Ultraschall-Lautsprechern in einer Fläche. Die Schallwellen aus diesen Lautsprechern bilden über dieser Fläche ein Schall-Kraftfeld, das die Forscher mit einem Hologramm vergleichen: "In unserem Gerät steuern wir Dutzende Lautsprecher individuell, um eine optimale Lösung für ein akustisches Hologramm zu erzeugen, mit dem wir mehrere Objekte in Echtzeit manipulieren können, ohne sie zu berühren", erklärt Subramanian.


Ultraschall-Hologramm fängt Objekte ein


Indem sie dieses Kraftfeld sorgfältig einstellen, können die Wissenschaftler die darin schwebenden Objekte an Ort und Stelle halten, bewegen oder rotieren lassen. Das Gerät kann dabei auf verschiedene Arten wie ein Traktorstrahl genutzt werden, wie die Forscher demonstrieren. Das akustische Kraftfeld kann wie eine Pinzette oder zwei Finger wirken, um Objekte zu greifen. Es kann aber auch eine Art akustischen Wirbel erzeugen, der Dinge einfängt und in seine Mitte trägt. Die dritte Art ähnelt einem Käfig aus Schall, der Objekte umgibt und aus allen Richtungen festhält.

Schall-Kraftfelder könnten in Zukunft die Bearbeitung und Herstellung empfindlicher Bauteile erleichtern, meinen die Forscher. Ganze Fertigungsstraßen aus solchen Traktorstrahlen könnten Einzelteile zusammensetzen, ohne sie berühren. Miniaturversionen könnten auch gezielt Medikamentenkapseln oder mikrochirurgische Instrumente in lebendem Gewebe transportieren.

"Wir wissen, dass Schallwellen spürbare Effekte haben können", sagt Koautor Bruce Drinkwater von der University of Bristol, "aber hier haben wir es geschafft, den Schall in einem nie zuvor erreichten Ausmaß zu kontrollieren." (Nature Communications, 2015; doi: 10.1038/ncomms9661)
(University of Sussex, 28.10.2015 - AKR)
 
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