[论文解读] Acoustic Macroscopic Rigid Body Levitation by Responsive Boundary Hologram

Seki Inoue, Shinichi Mogami+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2017

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 14被引用 27

一句话总结

本文提出了一种响应式边界全息方法，利用空气中的40 kHz超声波相控阵列，实现了对宏观刚性物体（如30 mm聚苯乙烯球体和50 mm正八面体）的稳定、非接触式悬浮。通过离散化刚性物体表面，并利用边界元建模优化声场以实现李雅普诺夫稳定性，该方法无需动态反馈即可实现力和力矩控制，将声悬浮技术拓展至亚波长粒子之外的应用。

ABSTRACT

Propagated acoustic waves, which generate radiation pressure, exert a non-contact force on a remote object. By suitably designing the wave field, remote tweezers are produced that stably levitate particles in the air without any mechanical contact forces. Recent works have revealed that holographic traps can levitate particles even with a single-sided wave source. However, the levitatable objects in the previous studies were limited to particles smaller than the wavelength, or flat parts placed near a rigid wall. Here, we achieve a stable levitation of a macroscopic rigid body by a holographic design of acoustic field without any dynamic control. The levitator models the acoustic radiation force and torque applied to a rigid body by discretising the body's surface, as well as the acoustic wave sources, and optimizes the acoustic field on the body surface to achieve the Lyapunov stability so that the field can properly respond to the fluctuation of the body position and rotation. In an experiment, a 40 kHz (8.5 mm wavelength) ultrasonic phased array levitated a polystyrene sphere and a regular octahedron with a size of ~50 mm located 200 mm away from acoustic elements in the air. This method not only expands the variety of levitatable objects but also contributes to microscopic contexts, such as in-vivo micromachines, since shorter-wavelength ultrasound than the size of target objects can be used to achieve higher controllability and stability.

研究动机与目标

• 克服先前声悬浮方法仅适用于亚波长粒子或靠近壁面的平坦物体的局限性。
• 利用单侧超声波相控阵列，在自由空间中实现宏观刚性物体的稳定悬浮。
• 设计一种声场，提供足够的恢复力和力矩，以稳定位置和姿态免受扰动影响。
• 通过预先优化声场以实现李雅普诺夫稳定性，消除对动态反馈控制的需求。
• 将声镊技术的应用范围扩展至更大尺寸、更复杂形状的物体，以服务于工业和生物医学应用。

提出的方法

• 该方法通过边界元法（BEM）对刚性体表面和换能器阵列进行离散化，建模其声辐射力和力矩。
• 将声场优化问题表述为实现李雅普诺夫稳定性的目标，确保在位置和旋转偏差下产生恢复力和力矩。
• 目标函数最小化系统线性化动力学的特征值实部，以促进稳定性，同时考虑重力和外部力。
• 优化采用L-BFGS算法，以相位为控制变量，假设各换能器振幅恒定。
• 该方法推导出力和力矩相对于相位及角速度的解析梯度，实现高效优化。
• 表面离散化采用4阶高斯求积规则和平均边长为1 mm的三角形网格。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用单侧超声波相控阵列，在自由空间中稳定悬浮尺寸大于波长的宏观刚性物体？
• RQ2 能否优化声辐射力和力矩，使其对平动和转动稳定均提供足够的恢复效应？
• RQ3 是否可通过预先优化声场实现无动态反馈控制的稳定悬浮？
• RQ4 与传统的戈尔科夫势能模型相比，边界全息方法在亚波长粒子中的表现如何？
• RQ5 该方法可稳定悬浮的刚性物体最大尺寸和形状范围是什么？

主要发现

• 使用单侧配置，成功在距相控阵200 mm处稳定悬浮了直径30 mm的聚苯乙烯球体。
• 通过双侧相控阵列，成功悬浮了对角线长度为50 mm的正八面体，展示了对形状无关的控制能力。
• 该方法在无任何动态反馈的情况下实现了稳定悬浮，完全依赖于预先优化的声场设计。
• 优化成功生成了在小扰动下维持平衡的恢复力和力矩，证实了李雅普诺夫稳定性。
• 采用1 mm网格分辨率和4阶高斯求积规则，确保了实验验证所需的足够数值精度。
• 该方法实现了物体尺寸大于波长的悬浮，提升了微操作应用中的控制精度和稳定性。