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Ciência e Tecnologia

Pesquisadores conseguem direcionar objetos flutuantes numa pista de obstáculos aquáticos usando ondas sonoras

“As pinças ópticas funcionam criando um ‘hotspot’ de luz para reter partículas, como uma bola caindo em um buraco. Mas se houver outros objetos nas proximidades, esse buraco é difícil de criar e se movimentar”, diz Romain Fleury, chefe do Laboratório de Engenharia de Ondas da Escola de Engenharia da EPFL.Fleury e os pesquisadores de pós-doutorado Bakhtiyar Orazbayev e Matthieu Malléjac passaram os últimos quatro anos tentando mover objetos em ambientes dinâmicos e descontrolados usando ondas sonoras. Em 2018, Arthur Ashkin ganhou o Prêmio Nobel de Física por inventar pinças ópticas: feixes de laser que podem ser usados para manipular partículas microscópicas. Embora úteis para muitas aplicações biológicas, as pinças ópticas exigem condições estáticas extremamente controladas para funcionar corretamente. 

Na verdade, o método da equipe – modelagem de momento de onda – é totalmente indiferente ao ambiente de um objeto ou mesmo às suas propriedades físicas. Toda a informação necessária é a posição do objeto, e as ondas sonoras fazem o resto. “Em nossos experimentos, em vez de prender objetos, nós os empurramos suavemente, como você pode guiar um puck com um taco de hóquei”, explica Fleury. O método não convencional, financiado pelo programa Spark da Swiss National Science Foundation (SNSF), foi publicado na Nature Physics em colaboração com pesquisadores da Universidade de Bordeaux, na França, da Universidade Nazarbayev, no Cazaquistão, e da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria. Se as ondas sonoras são o pau de hóquei na analogia de Fleury, então um objeto flutuante como uma bola de pingue-pongue é o puck.

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Nos experimentos do laboratório, a bola estava flutuando na superfície de um grande tanque de água, e sua posição foi capturada por uma câmera aérea. Ondas sonoras audíveis emitidas por um conjunto de alto-falantes em cada extremidade do tanque direcionaram a bola ao longo de um caminho pré-determinado, enquanto um segundo conjunto de microfones “ouviu” o feedback, chamado de matriz de dispersão, à medida que ela quicava da bola em movimento. Essa matriz de dispersão, combinada com os dados posicionais da câmera, permitiu que os pesquisadores calculassem em tempo real o momento ideal das ondas sonoras enquanto empurravam a bola ao longo de seu caminho. Ele acrescenta que a modelagem do momento de onda é inspirada na técnica óptica de modelagem de frente de onda, que é usada para focar a luz espalhada, mas esta é a primeira aplicação do conceito para mover um objeto. 

Além disso, o método da equipe não se limita a mover objetos esféricos ao longo de um caminho: eles também o usaram para controlar rotações e mover flutuadores mais complexos como um lótus origami. Uma vez que os cientistas conseguiram guiar uma bola de pingue-pongue, eles realizaram experimentos adicionais com obstáculos estacionários e móveis projetados para adicionar inhomogeneidade ao sistema. Navegar com sucesso na bola ao redor desses objetos espalhados demonstrou que a modelagem do momento de onda pode ter um bom desempenho mesmo em ambientes dinâmicos e descontrolados como um corpo humano. Fleury acrescenta que o som é uma ferramenta particularmente promissora para aplicações biomédicas, pois é inofensivo e não invasivo.

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“Alguns métodos de entrega de medicamentos já usam ondas sonoras para liberar drogas encapsuladas, então essa técnica é especialmente atraente para empurrar uma droga diretamente em direção às células tumorais, por exemplo.” O método também pode ser um divisor de águas para análises biológicas ou aplicações de engenharia de tecidos, onde manipular células ao tocá-las causaria danos ou contaminação. Fleury também vê aplicações de impressão 3D para modelagem de momento de onda, por exemplo, para organizar partículas microscópicas antes de solidificá-las em um objeto. Em última análise, os pesquisadores acreditam que seu método também poderia funcionar usando luz, mas seu próximo objetivo é levar seus experimentos baseados em som da macro para a microescala. 

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