Investigadores de la Universidad Pública de Navarra y la Universidad de Bristol han conseguido por primera vez manipular en el aire varias partículas, de forma independiente y en las tres dimensiones, con la única ayuda del sonido. Esta tecnología se podría usar para crear pequeñas estructuras con partículas levitantes, sin necesidad de tocarlas, e incluso para realizar operaciones quirúrgicas sin tener que abrir al paciente.
La levitación acústica de múltiples objetos y de forma independiente ya es posible gracias a las pinzas acústicas holográficas desarrolladas por el investigador Asier Marzo de la Universidad Pública de Navarra y el profesor Bruce Drink de la Universidad de Bristol (Reino Unido).
Los autores pueden mover partículas de hasta 25 milímetros mediante ondas ultrasónicas producidas por dos conjuntos de 256 emisores de sonido (de 1 cm de diámetro cada uno), con los que logran manipularlas de forma individual, simultánea y en tres dimensiones. Los detalles de estas pinzas acústicas los publican en la revista PNAS.
“Los emisores emiten con la misma amplitud y frecuencia pero con distinta fase”, explica Asier Marzo a Sinc, “y un algoritmo controla la fase de cada emisor para que se cree el campo acústico que permita capturar las partículas en las posiciones deseadas”.
En otras palabras, el sonido es el que ejerce la fuerza sobre los objetos. Al utilizar ondas ultrasónicas y subir mucho el volumen, se pueden mover los pequeños objetos. Por su parte, el algoritmo facilita que se generen campos lo suficientemente complejos como para lograr el objetivo: atrapar múltiples objetos donde uno quiere.
Diversas aplicaciones
“Las aplicaciones de estas pinzas acústicas son variadas, pero a mí me gustan especialmente dos”, comenta Marzo: “A escalas milimétricas, los displays o estructuras con multitud de partículas levitantes para formar diferentes objetos tridimensionales, aunque ahora, de momento, hayamos comenzado por un cubo". Un ejemplo podrían ser las futuras pantallas 3D con voxels, unidades cúbicas de un objeto tridimensional equivalentes a los píxeles actuales en objetos 2D.
Dispositivo de pinzas acústicas holográficas. Dos series de 16x16 transductores ultrasónicos son capaces de generar campos acústicos lo suficientemente complejos y potentes como para levitar partículas en las posiciones deseadas. / Sergio Larripa, Asier Marzo, Bruce Drinkwater
“Y a escalas micrométricas –añade–, la manipulación de células en 3D para crear estructuras más allá de un simple cultivo en una placa Petri bidimensional”. Las posibilidades de esta tecnología podría incluso llegar más lejos en el futuro, con su uso en operaciones quirúrgicas en la que no haya que hacer incisiones a los pacientes.
Pinzas acústicas frente a las ópticas
En la actualidad ya existen pinzas ópticas (ganadoras del Premio Nobel de Física de este año) que, mediante láseres, pueden atrapar y transportar micropartículas de una forma parecida a como lo hacen las acústicas. Sin embargo, las segundas ofrecen diversas ventajas respecto a las primeras.
Cuatro grupos de partículas milimétricas levitadas encima de una mano. / Iñaki Zaldua, Asier Marzo, Bruce Drinkwater
"Por una parte la escala de manipulación: mientras que en las ópticas las escalas son alrededor de una micra, en las acústicas las partículas pueden variar de 200 micras hasta 1,5 cm, dependiendo de la frecuencia utilizada", apunta Marzo.
"Y por otra, el medio de propagación: los láseres empleados en pinzas ópticas requieren un medio transparente (generalmente agua o aire), pero las acústicas pueden funcionar en aire, agua y en tejidos biológicos, de forma segura y no invasiva. Todos sabemos que el últrasonido atraviesa sin problema nuestro cuerpo cuando nos hacen una ecografía", recuerda el investigador.
Otra ventaja es que los dispositivos acústicos son 100.000 veces más eficientes que los ópticos. “Las pinzas ópticas son una tecnología fantástica, pero siempre están peligrosamente cerca de matar las células que manipulan. En cambio, con la versión acústica, generamos fuerzas de la misma magnitud, pero con mucha menos energía. Hay multitud de aplicaciones que requieren manipulación celular y los sistemas acústicos son perfectos para ello”, destaca el profesor Drinkwater.
Para demostrar la precisión de su dispositivo, los científicos adhirieron dos esferas milimétricas a los extremos de un hilo y usaron las pinzas acústicas para 'coserlo' en un trozo de tela. El sistema puede controlar simultáneamente el movimiento 3D de hasta 25 partículas en el aire.
Partículas milimétricas adheridas a un hilo y a un trozo de tela. Las partículas se pueden levitar con suficiente precisión como para pasar el hilo a través de un agujero en la tela. / Sergio Larripa, Asier Marzo, Bruce Drinkwater
El equipo confía en que la técnica pueda adaptarse para conseguir manipular partículas dentro del agua en un plazo aproximado de un año. Poco después, se podría adaptar para su uso en tejidos biológicos.
“La flexibilidad de las ondas ultrasónicas nos permite operar a escalas micrométricas para mover las células dentro de estructuras impresas en 3D o tejido vivo", subraya Marzo, "pero también podemos trabajar a escalas más grandes, por ejemplo, para levitar voxels o 'píxeles' tangibles y formar diferentes objetos en el aire".
Estos objetos, constituidos por partículas levitantes, pueden ser observados por varias personas desde diferentes ángulos, por lo que también son susceptibles de ser tocados y manipulados de forma directa; es decir, arrastrados con las manos, uniendo así la fuerza del tacto y el sonido.
Referencia bibliográfica:
Asier Marzo y Bruce W. Drinkwater. “Holographic Acoustic Tweezers”. Proceedings of the National Academy of Sciences, 17 de diciembre de 2018.
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