Un investigador español enseña cómo imprimir en 3-D un rayo tractor sónico

El año pasado, y aún como estudiante de doctorado en la Universidad Pública de Navarra, Marzo ayudó a desarrollar el primer rayo tractor sónico de una sola cara, el primero en atrapar y tirar de un objeto usando ondas sonoras en una sola dirección. Y ahora, como asistente en dicha universidad británica, ha dirigido un equipo que adaptó la tecnología para ser imprimible en 3-D por cualquier persona aunque necesitando cierto montaje.

Además de mostrar al público un vídeo detallado de cómo hacer su trabajo, los resultados del bricolaje de este haz tractor sónico manual aparecen esta semana en un artículo publicado en Applied Physics Letters. La levitación sonora no es nueva y el uso de ondas sonoras para empujar objetos macroscópicos o crear patrones en la arena y el agua está por todo YouTube y lo ha estado durante años. Sin embargo, esta tecnología no es simplemente levitación sónica mediante el sonido para empujar objetos alrededor.

Basada en la física fundamental similar a la utilizada para crear trampas ópticas durante décadas, estos rayos tractores son fieles a su nombre en el hecho de que tiran de objetos, atrapando pequeñas cuentas e incluso insectos en sus focos. "Lo más importante es que puede atraer partículas hacia la fuente. Es muy fácil empujar partículas desde la fuente, pero lo difícil es tirar de ellas hacia la fuente; Para atraer las partículas, cuando se mueve el haz tractor, la partícula se mueve, pero de lo contrario la trampa es estática. Puede levantar pequeños plásticos; una mosca y pequeñas muestras biológicas. Es muy útil", ha apuntado Marzo.

Las primeras versiones del dispositivo que probaron el concepto no eran mucho más grandes que estas nuevas versiones imprimibles en 3-D, pero su tecnología subyacente era más compleja y requería costosa electrónica. Gran parte del gasto surgió de la matriz de componentes activos que formaban electrónicamente las ondas de sonido, manipulando cómo y dónde interferían para crear el entorno de captura de objetos resultante justo encima de la matriz.

"Anteriormente desarrollamos un haz tractor, pero era muy complicado y costoso porque requería una fase de matriz, que es un sistema electrónico complejo. En este trabajo, hemos hecho un rayo tractor simple y estático que sólo requiere una pieza de materia estática", ha añadido Marzo. La sencillez y la asequibilidad de este enfoque pasivo de materia estática proviene de la arquitectura especial de esa materia, diseñada para reemplazar los componentes de la matriz y conformar las ondas sonoras estructuralmente en lugar de electrónicamente.

Modular ondas simples

Como el sonido --que ahora se puede generar de una sola fuente-- pasa a través de estos elementos cuidadosamente diseñados, las ondas se forman por la estructura interna del material impreso en 3-D. "Podemos modular una onda simple usando lo que se llama un metamaterial que es básicamente una pieza de materia con muchos tubos de diferentes longitudes. El sonido pasa a través de estos tubos y cuando sale del metamaterial, tiene las fases correctas para crear un haz tractor", ha subrayado Marzo.

Con un efecto que se determina principalmente por la forma de los tubos, el equipo de investigación se centró en optimizar el diseño para permitir la fabricación con impresoras comunes 3-D, asegurando que podrían construirlo incluso aficionados en casa.

Según Marzo, esto era ante todo un desafío en cuanto a su resolución, requiriendo un diseño que no sufriera la limitación de precisión de las boquillas de impresora 3-D de gama baja. "Necesitamos diseñar los tubos muy bien para que puedan ser impresos en 3-D con una impresora 3-D normal. Una impresora 3-D normal tiene muchas limitaciones", ha reconocido.

Con estas limitaciones superadas, el equipo desarrolló el resto del sistema de haces tractores utilizando componentes de fácil acceso, como el popular proveedor de electrónica de código abierto, Arduino. Incluso produjeron un vídeo detallado de cómo hacer su construcción.

"Hay un conjunto de instrucciones con una lista de los componentes necesarios y un vídeo paso a paso. Los componentes son muy simples, como un Arduino y un controlador motor, y todo se puede comprar en Amazon por unos 70 dólares", ha agregado Marzo.

Estos haces de tractores DIY tienen muchos usos potenciales e, incluso, pueden convertirse en una nueva herramienta para estudiar los efectos de baja gravedad en muestras biológicas. Marzo señala que este tipo de investigación de "microgravedad" ya es interesante y animó a los biólogos a encontrar sus propias aplicaciones para el dispositivo.

"Recientemente ha habido varios artículos sobre lo que sucede si levitamos un embrión, ¿cómo se desarrolla? ¿O qué sucede si levitamos bacterias? Por ejemplo, descubrieron que la salmonela es tres veces más [virulenta] cuando está levitada. Ciertos microorganismos reaccionan de manera diferente a la microgravedad", ha planteado.

Hay tres diseños del dispositivo, cada uno con perfiles de captura adecuados para diferentes tamaños de objeto en relación con la longitud de onda del sonido utilizado. Sin embargo, incluso para la implementación completa del laboratorio donde el equipo atrapa objetos más pesados o líquidos, todavía representa un desafío capturar objetos con más de la mitad de la longitud de onda del sonido. En el caso de las frecuencias justo por encima de lo que los seres humanos pueden oír, esto limita el tamaño de objetos atrapables a unos pocos milímetros.