Beperkingen van de piëzo-elektrische array-technologieën die conventioneel worden gebruikt voor ultrasoon geluid, inspireerden een groep onderzoekers van University College London om een ​​alternatief mechanisme te onderzoeken voor het genereren van ultrageluid via licht, ook wel het fotoakoestische effect genoemd. Door dit te combineren met 3D-printen, de groep was in staat om geluidsvelden met specifieke vormen te genereren voor mogelijk gebruik bij biologische celmanipulatie en medicijnafgifte.

Piëzo-elektrische materialen genereren mechanische spanning als reactie op een aangelegd elektrisch veld, resulterend in een bruikbare en nauwkeurig beheersbare kracht die, bijvoorbeeld, worden gebruikt om geluidsgolven te creëren. Maar het bereiken van deze besturing met conventionele piëzo-elektrische arrays vereist zowel gecompliceerde elektronica als grote aantallen extreem kleine individuele componenten die duur en moeilijk te vervaardigen zijn.

Het fotoakoestische effect, in tegenstelling tot, treedt op wanneer een korte puls of gemoduleerde lichtbron wordt geabsorbeerd door een materiaal, het produceren van een geluidsgolf. Zoals de groep meldt in deze week Technische Natuurkunde Brieven , hun werk richt zich op het gebruik van het fotoakoestische effect om ultrasone velden in 3D te regelen.

"Een handig kenmerk van het foto-akoestische effect is dat de oorspronkelijke vorm van het gegenereerde geluid wordt bepaald [door] waar het licht wordt geabsorbeerd, " zei Michael Brown, een doctoraatsstudent aan de Biomedical Ultrasound Group van het Department of Medical Physics and Biomedical Engineering aan het University College London. "Dit kan worden gebruikt om sterk geconcentreerde, intense geluidspunten te creëren door gewoon een optische absorber op een concaaf oppervlak te plaatsen, die werkt als een lens."

Algemener, het is mogelijk om monsters te maken met bijna elke oppervlaktevorm met behulp van een 3D-printer en een transparant materiaal.

"Door een optische absorber op dit oppervlak af te zetten, wat kan worden gedaan door middel van spuiten, een geluidsgolf van bijna elke vorm kan worden gecreëerd door dit monster te belichten met een laser, Brown zei. "Als je het ontwerp van het oppervlak en dus de vorm van de akoestische golf zorgvuldig afstemt, het is mogelijk om te bepalen waar het geluidsveld zich zal concentreren en zelfs velden te creëren die gefocust zijn op doorlopende vormen. We gebruiken letters en cijfers."

Dit is vooral belangrijk omdat, in theorie, het vermogen om de vorm van het golffront te controleren - het oppervlak waarover de geluidsgolf een constante fase heeft, een beetje zoals de rand van de golf - maakt een grote mate van controle over het resulterende veld mogelijk.

"Maar het daadwerkelijk ontwerpen van een golffront dat een gewenst patroon genereert, wordt uitdagender naarmate de complexiteit van het doelwit toeneemt, Brown zei. "Een duidelijk 'beste' ontwerp is alleen beschikbaar voor een paar geselecteerde gevallen, zoals het genereren van een enkele focus."

Om deze beperking te overwinnen, de groep "ontwikkelde een algoritme waarmee gebruikers een gewenst geluidsveld in 3D kunnen invoeren, en het voert vervolgens een 3D-afdrukbaar oppervlakteprofiel uit dat dit veld genereert, Brown zei. "Ons algoritme zorgt voor nauwkeurige controle van de intensiteit van geluid op verschillende locaties en het tijdstip waarop het geluid aankomt, waardoor het snel en eenvoudig is om oppervlakken of 'lenzen' te ontwerpen voor een gewenste toepassing."

Brown en zijn collega's demonstreerden de effectiviteit van hun algoritme door een lens te maken die is ontworpen om een ​​geluidsveld in de vorm van het cijfer 7 te genereren. Na de lens te hebben belicht met een gepulseerde laser, ze namen het geluidsveld op en de gewenste "7" was duidelijk zichtbaar met hoog contrast.

"Het was de eerste demonstratie van het genereren van een multifocale distributie van geluid met behulp van deze aanpak, ' zei Bruin.

Er zijn veel potentiële toepassingen voor de op maat gemaakte opto-akoestische profielen die door de groep zijn gemaakt. "Zeer intens geluid kan verhitting veroorzaken of krachten uitoefenen op objecten, zoals in akoestische pincetten, Brown zei. "En soortgelijke apparaten met één focus worden al gebruikt voor het splitsen van celclusters en gerichte medicijnafgifte, dus ons werk zou op dat gebied nuttig kunnen zijn."

De groep is ook geïnteresseerd in de effecten van voortplanting door weefsel, die vervormingen introduceert in de vorm van golffronten veroorzaakt door variaties in de geluidssnelheid. "Als de structuur van het weefsel vooraf bekend is via beeldvorming, onze aanpak kan worden gebruikt om deze aberraties te corrigeren, Brown zei. "Het manipuleren van de vorm en tijd waarin het gefocuste geluid wordt gegenereerd, kan ook nuttig zijn voor het manoeuvreren en beheersen van biologische cellen en andere deeltjes."

Vooruit gaan, Brown en zijn groep hopen het gebruik van andere lichtbronnen te onderzoeken en welke voordelen ze kunnen bieden.

"Een beperking van ons werk was het gebruik van een enkelpulsige laser, Brown zei. "Dit betekende dat de tijdelijke vorm van het geluid dat door het monster werd gegenereerd slechts één korte puls was, waardoor de complexiteit van de velden die konden worden gegenereerd, werd beperkt. In de toekomst, we zijn geïnteresseerd in het gebruik van alternatieve gemoduleerde optische bronnen om deze apparaten te verlichten."