Optimization of acoustic fields: advances towards its use for matter manipulation and contactless fabrication

Abstract

Los campos de presión acústica son capaces de modelar y levitar partículas de una amplia gama de materiales y tamaños a través del aire, el agua o el tejido biológico. Esto tiene aplicaciones en cristalografía, manipulación celular, escenarios lab-on-a-chip, farmacología, transporte sin contacto e incluso levitación de seres vivos. En general, la investigación de campos de presión acústica ha experimentado avances significativos en los últimos años. Su flexibilidad y sus posibles aplicaciones han aumentado considerablemente con el desarrollo de técnicas holográficas y el uso de optimizadores. Sin embargo, aún hay margen de mejora, ya que las limitaciones dificultan la aplicación de los campos acústicos en diversos escenarios de investigación. Por ejemplo, no existe una plataforma de hardware unificada que motive de forma flexible la investigación exploratoria en aplicaciones de holografía acústica. La mayoría de los dispositivos comerciales o de caseros carecen de la resolución o la potencia que necesitan las personas investigadoras, por lo que tienen que fabricar dispositivos más complejos y caros. Además, investigaciones anteriores se han centrado en la levitación y manipulación de pequeñas partículas y gotas; sin embargo, aún no se ha desarrollado un prototipo completo para la fabricación sin contacto; no existen artículos científicos que estudien el atrapamiento de objetos alargados tanto en posición como en orientación. Además, la microfluídica está limitada en cuanto a la manipulación tridimensional (3D), el tamaño de las gotas y la contaminación cruzada. Esta tesis ofrece una introducción exhaustiva a la optimización de los campos acústicos, repasando su importancia en aplicaciones de múltiples ámbitos de la investigación y la industria. Esta tesis también examina las limitaciones y deficiencias previamente expuestas y presentes en el actual diseño y aplicación de campos acústicos. Se proponen algoritmos novedosos para generar los campos deseados y mejorar significativamente su resolución y potencia mediante multiplexación espacial y temporal. Se presenta una plataforma de hardware abierta y asequible para facilitar la adaptación a los requisitos experimentales de los investigadores que exploran nuevas aplicaciones de los hologramas ultrasónicos. Se diseñan y evalúan trampas acústicas óptimas para manipular elementos alargados controlando su posición y orientación. Se demuestra la fabricación sin contacto utilizando trampas acústicas de piezas alargadas mediante fabricación aditiva basada en partículas levitadas, varillas y resina UV; también se ilustra la adición sobre otros objetos y la construcción dentro de contenedores. Por último, se propone un sistema, destinado a microfluídica 3D, basado en ultrasonidos focalizados a través de una malla hidrófoba. Es sistema es capaz de manejar un gran número de gotas (> 40µL), y capaz de fusionarlas/dividirlas o propulsarlas verticalmente, este sistema mejora significativamente los sistemas EWOD ya existentes generando una menor contaminación superficial. Esta tesis presenta estos logros y sus trabajos relacionados, modelos, metodologías, procedimientos y conclusiones. Espero que estos trabajos supongan un avance significativo en la investigación de los campos acústicos y puedan inspirar y facilitar futuras aplicaciones novedosas de los hologramas acústicos por parte de las personas investigadoras en diversos ámbitos del mundo académico y de la industria.

Acoustic pressure fields are capable of patterning and levitating particles of a wide range of materials and sizes through air, water or biological tissue. This has applications in crystallography, cell manipulation, lab-on-a-chip scenarios, pharmacology, containerless transportation and even levitation of living things. Overall, the research domain of acoustic pressure fields has seen significant advances in recent years. Its flexibility and potential applications have been greatly increased with the development of holographic techniques and the use of optimizers. However, there is still room for improvement, as limitations hinder the application of acoustic fields in various research scenarios. For example, there is no unified hardware platform that can flexibly support exploratory research in acoustic holography applications. Most commercial or DIY devices lack the resolution or power that researchers require, so they need to fabricate more complex, cumbersome and expensive devices. Moreover, previous research has focused on the levitation and manipulation of small particles and droplets; however, a full prototype for contactless fabrication has yet to be developed since there is no existing work on trapping elongated objects in position and orientation. Furthermore, microfluidics is limited in terms of three-dimensional (3D) manipulation, droplet size and cross-contamination. This thesis provides a comprehensive introduction to the optimization of acoustic fields, reviewing its importance in applications across multiple research and industry domains. This thesis also examines the previously stated limitations and shortcomings of the design and application of acoustic fields. Novel algorithms are proposed to generate desired target fields and to significantly improve their resolution and power through spatial and temporal multiplexation. An open and affordable hardware platform is presented to facilitate customisation for experimental requirements by researchers exploring novel applications for ultrasonic holograms. Optimum acoustic traps are designed and evaluated to lock elongated elements in position and orientation. Contactless fabrication using full acoustic trapping of elongated parts is demonstrated through additive manufacturing based on levitated particles, sticks and UV resin; the addition on top of other objects and building inside containers is also illustrated. Finally, a 3D digital microfluidics system is proposed based on focused ultrasound through a hydrophobic mesh. Able to handle a large number of liquid droplets (> 40µL), and capable of merging/splitting them or vertically propelling them, this system significantly improves already existing EWOD systems generating less surface contamination. This thesis presents these achievements and their related works, models, methodologies, procedures and conclusions. I hope that these pieces of work are a significant advancement in the research of acoustic fields and may inspire and facilitate future novel applications of acoustic holograms by researchers in various domains of academia and industry.