La levitación acústica representa una técnica para suspender material en un medio aéreo, contrarrestando las fuerzas gravitacionales mediante la aplicación de presión de radiación acústica generada por ondas sonoras de alta intensidad.
Este fenómeno opera según principios análogos a los empleados por las pinzas acústicas, aprovechando las fuerzas de radiación acústica. Sin embargo, las pinzas acústicas suelen funcionar como instrumentos de pequeña escala dentro de un entorno fluido, donde los efectos gravitacionales son menos pronunciados, mientras que la levitación acústica tiene como objetivo fundamental contrarrestar la gravedad. Desde un punto de vista técnico, la levitación acústica dinámica se puede clasificar como una forma de acoustoforesis, aunque esta designación se vincula más frecuentemente con pinzas acústicas en miniatura.
La levitación acústica comúnmente emplea frecuencias ultrasónicas, lo que hace que el sonido generado sea inaudible para la percepción humana. Esta práctica es necesaria principalmente por la importante intensidad del sonido necesaria para superar la atracción gravitacional. A pesar de esto, se han documentado casos de frecuencias audibles utilizadas.
Si bien existen múltiples metodologías para la generación de sonido, el enfoque predominante implica el empleo de transductores piezoeléctricos, que son capaces de producir eficientemente salidas de alta amplitud a frecuencias específicas.
La levitación presenta una técnica prometedora para el procesamiento sin contenedores de microchips y otros componentes diminutos y frágiles en entornos industriales. El procesamiento sin contenedores también resulta útil en aplicaciones que exigen materiales de pureza excepcionalmente alta o que facilitan reacciones químicas demasiado agresivas para la contención convencional. Aunque este método plantea mayores desafíos de control en comparación con alternativas como la levitación electromagnética, ofrece el claro beneficio de permitir la levitación de sustancias no conductoras.
Inicialmente estática, la levitación acústica ha evolucionado desde una suspensión estacionaria hasta abarcar la manipulación dinámica de objetos flotantes, una capacidad que ha demostrado ser valiosa en los sectores farmacéutico y electrónico. La realización inicial de este control dinámico implicó un prototipo que presentaba una disposición de emisores acústicos cuadrados en forma de tablero de ajedrez. Este sistema facilitó el movimiento de objetos entre cuadrados al reducir progresivamente la intensidad del sonido de un emisor y al mismo tiempo aumentarla desde uno adyacente, permitiendo así el "descenso" virtual del objeto. Los avances posteriores, en particular el desarrollo de placas de transductores de matriz en fase, han permitido un control dinámico más versátil sobre múltiples partículas y gotas al mismo tiempo.
El progreso tecnológico reciente también ha llevado a una reducción sustancial en el costo asociado con esta tecnología. El 'TinyLev' ejemplifica esta tendencia, ya que representa un levitador acústico que se puede ensamblar utilizando componentes disponibles en el mercado, económicos y de fácil acceso, y un singular marco impreso en 3D.
Historial
Desarrollo experimental
La demostración inicial de la viabilidad de la levitación acústica se produjo durante los experimentos del tubo de Kundt en 1866. Esta configuración experimental, realizada dentro de una cámara resonante, ilustró que las partículas podían agregarse en los nodos de una onda estacionaria mediante la acción de fuerzas de radiación acústica. Sin embargo, el objetivo principal del experimento original era determinar las longitudes de onda y, en consecuencia, la velocidad del sonido dentro de un medio gaseoso.
El ejemplo inaugural de levitación fue demostrado por Bücks y Muller en 1933, quienes suspendieron con éxito gotas de alcohol entre un cristal de cuarzo y un reflector. Hilary St Clair logró avances posteriores, cuyo interés en las fuerzas de radiación acústica surgió principalmente de su posible aplicación en la aglomeración de partículas de polvo para operaciones mineras. St Clair desarrolló el primer aparato electromagnético capaz de generar las amplitudes de excitación necesarias para la levitación, logrando posteriormente la suspensión de objetos más grandes y pesados, como una moneda.
Taylor Wang dirigió un equipo de investigación que utilizó ampliamente las fuerzas de radiación acústica como estrategia de contención en entornos de gravedad cero. Este equipo desplegó un dispositivo especializado a bordo de la misión STS-51-B del transbordador espacial Challenger para examinar el comportamiento de las gotas levitadas en condiciones de microgravitación. Posteriormente se realizaron experimentos adicionales en 1992 en el Laboratorio de Microgravedad 1 de los Estados Unidos (USML-1) y en 1995 en el USML-2.
Desde la década de 1970 hasta 2017, el Langevin Horn, compuesto por un actuador piezoeléctrico, un transmisor metálico y un reflector, representó el dispositivo de levitación acústica predominante. Sin embargo, este diseño requería una calibración precisa de la distancia entre el transmisor y el reflector, ya que esta separación tenía que corresponder a un múltiplo exacto de la longitud de onda del sonido. Esta calibración resultó desafiante porque la longitud de onda fluctúa con la velocidad del sonido, que a su vez está influenciada por variables ambientales como la temperatura y la altitud. Estos dispositivos facilitaron investigaciones sustanciales, incluidas investigaciones sobre la química sin contacto y la levitación de pequeños especímenes biológicos. Además, se integraron múltiples Langevin Horns para lograr un movimiento plano continuo modulando la intensidad del sonido: disminuyéndola desde una fuente mientras se aumenta desde una adyacente, permitiendo así que las partículas atraviesen "cuesta abajo" dentro del campo potencial acústico.
Recientemente, ha ganado protagonismo una nueva generación de levitadores acústicos, caracterizados por el uso de numerosos transductores piezoeléctricos pequeños e individuales. El dispositivo inaugural en esta categoría fue el "TinyLev", un levitador multiemisor de un solo eje desarrollado en 2017 por Asier Marzo, Adrian Barnes y Bruce Drinkwater en la Universidad de Bristol. Las distinciones clave del Langevin Horn incluyeron el despliegue de fuentes de sonido tanto desde arriba como desde abajo (en lugar de una sola fuente y un reflector) y la incorporación de numerosos transductores pequeños con excitación paralela, a diferencia de un elemento piezoeléctrico solitario. Esta configuración, que utilizaba dos ondas viajeras opuestas en lugar de una única fuente y un reflector, permitió una levitación estable incluso cuando la separación vertical no correspondía exactamente a un múltiplo de la longitud de onda. Si bien inicialmente se concibió como una estrategia de reducción de costos, la adopción de múltiples fuentes pequeñas también facilitó el desarrollo de la levitación en fase. Además, la integración de componentes impresos en 3D para el marco de enfoque y posicionamiento del transductor, junto con Arduinos para la generación de señales, redujo sustancialmente los costos y mejoró la accesibilidad. Esta reducción de costos fue crucial, ya que se alineaba con el objetivo principal del dispositivo de democratizar la tecnología.
Esta metodología innovadora también impulsó avances sustanciales en las técnicas de levitación que emplean transductores ultrasónicos Phased Array (comúnmente abreviados como PAT). Los PAT comprenden un conjunto de altavoces ultrasónicos controlados con precisión para generar un campo sonoro específico y unificado. Este control se logra manipulando la fase relativa (o tiempo de retardo) entre salidas individuales y, ocasionalmente, ajustando sus magnitudes relativas. A diferencia de los conjuntos utilizados en pruebas no destructivas o aplicaciones de imágenes, estos conjuntos de levitación funcionan con una salida continua en lugar de ráfagas de energía discretas. Esta operación continua ha permitido tanto la levitación de un solo lado como la manipulación simultánea de numerosas partículas.
Un método cada vez más frecuente implica el uso de componentes impresos en 3D para introducir los retrasos de fase necesarios para la levitación, logrando así un efecto análogo a los PAT. Este enfoque ofrece la ventaja de una resolución espacial superior en comparación con los arreglos en fase, lo que permite la formación de campos acústicos más complejos. Estos componentes se denominan hologramas acústicos, metasuperficies, líneas de retardo o metamateriales. Si bien las variaciones terminológicas se deben en gran medida a la disciplina de diseño original, el principio fundamental que subyace a todas estas técnicas sigue siendo consistente. Estos componentes también se pueden integrar con PAT para lograr una reconfigurabilidad dinámica y una resolución mejorada del campo sonoro. Otro beneficio es su rentabilidad, ejemplificada por el desarrollo de un rayo tractor ultrasónico de bajo costo, para el cual se publicaron guías instructivas.
A pesar de la aparición de numerosas técnicas de manipulación novedosas, los cuernos de Langevin siguen utilizándose en la investigación científica. Su preferencia en los estudios sobre la dinámica de objetos levitados se debe a su simplicidad geométrica, que facilita tanto la simulación como el control preciso de los parámetros experimentales.
Teórico
El trabajo de Lord Rayleigh de principios del siglo XX se centró principalmente en las fuerzas teóricas y la energía inherentes a las ondas sonoras. El análisis inicial de partículas en un campo acústico fue realizado por L.V. King en 1934, quien calculó la fuerza ejercida sobre partículas incompresibles. Posteriormente, Yosioka y Kawisama ampliaron esta investigación calculando fuerzas sobre partículas comprimibles dentro de ondas acústicas planas. Esta progresión culminó con la generalización del campo por parte de Lev P. Gor'kov en el potencial de Gor'kov, que sigue siendo la base matemática fundamental para la levitación acústica en la actualidad.
El potencial de Gor'kov está limitado por sus supuestos subyacentes, y se aplica específicamente a esferas con un radio significativamente más pequeño que la longitud de onda, generalmente limitado a una décima parte de la longitud de onda. Si bien existen soluciones analíticas adicionales para geometrías simples, extender el análisis a objetos más grandes o no esféricos comúnmente requiere la aplicación de métodos numéricos, particularmente el método de elementos finitos o el método de elementos límite. Además, la presión de radiación del sonido se puede gestionar con precisión mediante patrones de sublongitud de onda de la superficie de un objeto.
Tipos de levitación
La levitación acústica se puede clasificar en cinco tipos distintos:
- Levitación de onda estacionaria: esta técnica atrapa partículas en los nodos de una onda estacionaria, que es generada por una fuente de sonido emparejada con un reflector (como en Langevin Horn) o por dos conjuntos independientes de fuentes (como en TinyLev). Su eficacia depende de que las partículas sean pequeñas en relación con la longitud de onda, normalmente del 10 % o menos, con un peso máximo levitado generalmente en el rango de miligramos. En particular, si una partícula es excesivamente pequeña en comparación con la longitud de onda, su comportamiento se altera y provoca que migre hacia los antinodos. Estos levitadores suelen ser de un solo eje y confinan todas las partículas a lo largo de un eje central; sin embargo, la integración de transductores Phased Array (PAT) permite la manipulación dinámica. Este método representa la técnica más robusta para la levitación a distancias superiores a una longitud de onda, debido a la interferencia constructiva producida por las dos ondas viajeras constituyentes. Las fuerzas generadas por la levitación de un solo haz a distancia son aproximadamente 30 veces más débiles que las de una simple onda estacionaria.
- Levitación acústica de campo lejano: este método facilita la levitación de objetos más grandes que la longitud de onda acústica generando un campo personalizado que coincide con el tamaño y la forma específicos del objeto. Esta capacidad permite la levitación de dichos objetos a distancias mayores que la longitud de onda de la fuente, siempre que el objeto no sea de alta densidad. Las primeras implementaciones implicaron una onda estacionaria vertical simple para objetos en forma de disco o una configuración de tres transductores para estabilizar esferas. Sin embargo, los avances más recientes utilizan transductores de matriz en fase (PAT) y el método del elemento límite para levitar objetos significativamente más grandes a lo largo de distancias extendidas. El objeto más pesado levantado con éxito mediante esta técnica es una esfera de poliestireno expandido de 30 mm de diámetro y que pesa 0,6 g. El objeto más grande levitado acústicamente mediante PAT colocados encima y debajo del objeto es un octaedro de poliestireno expandido con una longitud diagonal de 50 mm y una masa de 0,5 g.
- Levitación de haz único: Esta técnica implica levitar objetos a distancias mayores que una única longitud de onda desde las fuentes, con acceso restringido a un solo lado. El diseño de la trampa debe ser especializado, manifestándose comúnmente como una trampa gemela o una trampa de vórtice, aunque una trampa de botella también es una opción viable. La trampa gemela, al ser la más simple, crea dos "pinzas" de alta presión en lados opuestos de la partícula. Cuando se emplea el enfoque geométrico, esta configuración puede formar un rayo tractor utilizando componentes fácilmente disponibles. Por el contrario, la trampa de vórtice genera un "agujero" central de baja presión. Si bien requiere un campo de fase más complejo, la trampa de vórtice, a diferencia de la trampa gemela, puede levitar objetos más grandes que la longitud de onda. En 2019, investigadores de la Universidad de Bristol lograron la levitación del objeto más grande mediante un rayo tractor, una bola de poliestireno expandido de 19,53 mm de diámetro. Este logro apareció en "The Edge of Science", una producción de BBC Earth para YouTube Originals presentada por Rick Edwards.
- Levitación de campo cercano: Este método implica colocar un objeto plano sustancial cerca de la superficie de un transductor, donde funciona como un reflector, lo que permite la levitación sobre una película de aire extremadamente delgada. Si bien es capaz de soportar varios kilogramos, esta técnica se limita a elevaciones de sólo cientos de micrómetros sobre la superficie. En consecuencia, desde una perspectiva humana, se manifiesta más como una reducción significativa de la fricción que como una verdadera levitación.
- Levitación acústica de campo cercano invertida: En condiciones específicas, la fuerza repulsiva responsable de la levitación de campo cercano se invierte, transformándose en una fuerza de atracción. En tales casos, el transductor puede orientarse hacia abajo, facilitando la levitación de un objeto debajo de él. Se han logrado levitar objetos que pesan en la escala de miligramos a distancias de decenas de micrómetros. Las investigaciones actuales indican que este fenómeno ocurre cuando el radio equivalente del disco es inferior al 38% de la longitud de onda.
Estas clasificaciones amplias representan un método para categorizar los tipos de levitación, pero no son exhaustivas. Las investigaciones en curso exploran la integración de varias técnicas para lograr capacidades mejoradas, como la levitación estable de objetos no simétricos mediante la combinación de levitación por onda estacionaria con un sistema de doble trampa (normalmente un método de levitación de haz único). Además, se dedican esfuerzos sustanciales a fusionar estas técnicas con componentes de cambio de fase impresos en 3D para obtener beneficios como la formación de campo pasivo o una resolución espacial superior. Las técnicas de control también presentan una diversidad considerable; Si bien los transductores Phased Array (PAT) son frecuentes, las placas Chladni también han demostrado ser fuentes efectivas de ondas estacionarias únicas para manipular objetos levitados alterando su frecuencia.
Aplicaciones
La levitación acústica encuentra principalmente sus aplicaciones en la investigación científica y los procesos industriales.
La levitación acústica ofrece un entorno sin contenedores para experimentos de secado de gotas, lo que facilita el estudio de la evaporación de líquidos y la formación de partículas. La manipulación sin contacto de gotas también ha despertado un gran interés debido a su potencial para la química a pequeña escala y sin contenedores. Específicamente, los investigadores están interesados en mezclar múltiples gotas utilizando transductores Phased Array (PAT) para investigar reacciones químicas de forma aislada de los contenedores convencionales. Además, existe un interés considerable en emplear pequeñas gotas levitadas como recipientes para cristales de proteínas en experimentos de difracción de rayos X, con el objetivo de determinar estructuras cristalinas con resolución atómica, a temperatura ambiente y con alto rendimiento.
La investigación también ha explorado la levitación de pequeños animales vivos, y no ha demostrado efectos adversos sobre la vitalidad de las especies que normalmente se encuentran en el aire. Esta técnica tiene potencial como herramienta futura para el estudio directo en animales.
Se están llevando a cabo investigaciones activas en el ámbito del ensamblaje sin contacto. Las demostraciones incluyen la levitación de componentes eléctricos de montaje superficial y microensamblajes logrados mediante una combinación de campos acústicos y magnéticos. Además, existe interés comercial en la impresión 3D mientras los objetos levitan, como lo ejemplifica la solicitud de patente de Boeing para este concepto.
La levitación acústica también se ha propuesto como método para desarrollar pantallas volumétricas, donde la luz se proyecta sobre una partícula que recorre un camino para generar una imagen a una velocidad imperceptible para el ojo humano. Esta capacidad ya ha sido demostrada e integrada con audio y retroalimentación háptica proveniente del mismo transductor Phased Array (PAT).
Pinzas acústicas
- Pinzas acústicas
- Levitación óptica
- Presión de radiación
- Levitación electrostática
- Levitación magnética
- Levitación aerodinámica
- Flotabilidad
Referencias
Live Science: investigación sobre la levitación de animales pequeños
- Ciencia viva: los científicos levitan animales pequeños
- Video de Physics Girl: construcción de un levitador acústico y demostración de levitación líquida