Holographic acoustic elements for manipulating levitating particles. Applications in human-computer interaction

Abstract

En esta tesis doctoral demostramos simultáneamente atrapamiento 3D, traslación y rotación de las partículas utilizando dispositivos de una sola cara. Esto se logra mediante el ajuste de manera óptima los retardos de fase usados para alimentar los transductores; de esta manera se generan estructuras acústicas sin precedentes y sin recurrir a lentes físicas, transductores hechos a medida o accionamiento mecánico. Nuestro método genera trampas óptimas en las posiciones deseadas con cualquier disposición espacial de los transductores; además, mejora significativamente los manipuladores anteriores. Presentamos tres trampas acústicas óptimas: trampas pinza, un nuevo fenómeno acústico que también puede rotar objetos; trampas tornado, cuyas capacidades de levitación se mostraron teóricamente y recientemente se observaron experimentalmente usando una lente acústica fija; y trampas en botella, que nunca han sido ni probadas ni sugeridas para levitar objetos. También introducimos el concepto de elementos holográficos acústicos basado en la interpretación de los retardos de fase como una placa holográfica que combina la codificación de elementos acústicos. Esta teoría permite el análisis y la generación eficiente de trampas acústicas, así como comparaciones con trampas ópticas. Este trabajo lleva las ventajas de la levitación óptica (es decir, un solo haz, rotación, control holográfico y múltiples partículas) a la eficiencia y versatilidad de la levitación acústica. Como resultado, esperamos el desarrollo de potentes rayos tractores, pantallas físicas 3D o control de micro-máquinas que están dentro de nuestro cuerpo. Nuevas aplicaciones en interacción hombre-máquina (IHM) se pueden derivar de la posibilidad de posicionar en medio del aire objetos a distancia e incluso a través de obstáculos. En la configuración más básica, movemos partículas sobre una superficie para pintar sobre la arena o líquidos a distancia y sin contacto. Un sistema más avanzado puede posicionar un par de objetos en 3D, esto nos permite representar funciones y posiciones de objetos tales como aviones o asteroides. El objetivo final sería crear un display compuesto de cientos de partículas que levitan de forma independiente para formar diferentes formas.

Acoustic waves can levitate particles of a wide range of materials and sizes through air, water or biological tissues. This is of paramount importance for crystallography, cell manipulation, lab-on-a-chip scenarios, pharmacology, containerless transportation and even levitation of living things. To date, the levitated particles had to be enclosed by acoustic elements as single-sided levitators only exerted lateral trapping forces or pulling forces. Furthermore, translation and rotation of the trap was limited. Here, for the first time we show full acoustic trapping, translation and rotation of levitated particles using a single-sided phased array. Our approach creates optimum traps at the target positions for any spatial arrangement and significantly enhances previous manipulators. We report three optimum acoustic traps: Twin traps, a novel acoustic phenomenon with the ability to rotate objects; Vortex traps, previously only shown theoretically; and Bottle traps, never proven to levitate objects before. We also introduce the concept of Holographic Acoustic Elements (HAEs) based on interpreting the phase modulations of the transducers as a holographic plate that combines the encoding of identifiable acoustic elements. HAEs allow us to analyse and efficiently generate acoustic traps as well as to compare them with optical traps. This work brings the advantages of optical levitation (single-beam, rotation, holographic control and multiple particles) to the efficiency and versatility of acoustic levitation. As a result, we expect the development of powerful tractor beams, 3D physical displays or acoustically-controlled internal nanomachines that do not interfere with MRI visualization. New applications for Human-Computer Interaction (HCI) can be derived from the possibility of remotely moving objects in mid-air to specific locations and even through obstacles. In the most basic configuration, we move particles over a surface to paint on sand or liquids a distance and without contact. A more advance system positions a couple of objects in 3D allowing us to represent functions and positions of objects such as planes or asteroids. The ultimate goal for a display is to levitate hundreds of particles independently to form different shapes.