Este esquema ilustra cómo los perfiles de superficie personalizados pueden crear campos acústicos modelados generados ópticamente en 3-D. Crédito:Brown et al.
Las limitaciones de las tecnologías de matriz piezoeléctrica utilizadas convencionalmente para ultrasonidos inspiraron a un grupo de investigadores del University College de Londres a explorar un mecanismo alternativo para generar ultrasonido a través de la luz. también conocido como efecto fotoacústico. Combinando esto con la impresión 3-D, el grupo pudo generar campos de sonidos con formas específicas para su uso potencial en la manipulación de células biológicas y la administración de fármacos.
Los materiales piezoeléctricos generan tensión mecánica en respuesta a un campo eléctrico aplicado, resultando en una fuerza utilizable y precisamente controlable que puede, por ejemplo, utilizarse para crear ondas sonoras. Pero lograr este control con matrices piezoeléctricas convencionales requiere tanto una electrónica complicada como una gran cantidad de componentes individuales extremadamente pequeños que son costosos y difíciles de fabricar.
El efecto fotoacústico, a diferencia de, ocurre cuando un pulso corto o una fuente de luz modulada es absorbida por un material, produciendo una onda de sonido. Como informa el grupo en el Letras de física aplicada , su trabajo se centra en utilizar el efecto fotoacústico para controlar los campos de ultrasonido en 3-D.
"Una característica útil del efecto fotoacústico es que la forma inicial del sonido que se genera está determinada [por] el lugar donde se absorbe la luz, "dijo Michael Brown, estudiante de doctorado en el Grupo de Ultrasonido Biomédico del Departamento de Física Médica e Ingeniería Biomédica del University College London. "Esto se puede utilizar para crear puntos de sonido intensos estrechamente enfocados simplemente depositando un absorbente óptico en una superficie cóncava, que actúa como una lente ".
Más generalmente, Es posible fabricar muestras con casi cualquier forma de superficie utilizando una impresora 3D y un material transparente.
"Al depositar un absorbente óptico en esta superficie, que se puede hacer mediante pintura en aerosol, se puede crear una onda de sonido de casi cualquier forma iluminando esta muestra con un láser, "Dijo Brown." Si adapta cuidadosamente el diseño de la superficie y, por lo tanto, la forma de la onda acústica, es posible controlar dónde se enfocará el campo de sonido e incluso crear campos enfocados sobre formas continuas. Estamos usando letras y números ".
Esto es particularmente significativo porque, En teoria, la capacidad de controlar la forma del frente de onda:la superficie sobre la cual la onda de sonido tiene una fase constante, algo parecido al borde de la ola:permite un gran grado de control sobre el campo resultante.
Una muestra fabricada antes de la deposición del absorbedor. Crédito:Brown et al.
"Pero diseñar un frente de onda que genere un patrón deseado se vuelve más desafiante a medida que aumenta la complejidad del objetivo, ", Dijo Brown." Un diseño claro 'mejor' solo está disponible para algunos casos seleccionados, como la generación de un foco único ".
Para superar esta limitación, el grupo "desarrolló un algoritmo que permite a los usuarios ingresar un campo de sonido deseado en 3-D, y luego genera un perfil de superficie imprimible en 3D que genera este campo, ", Dijo Brown." Nuestro algoritmo permite un control preciso de la intensidad del sonido en diferentes ubicaciones y el momento en que llega el sonido, lo que hace que sea rápido y fácil diseñar superficies o 'lentes' para una aplicación deseada ".
Brown y sus colegas demostraron la eficacia de su algoritmo al crear una lente diseñada para generar un campo de sonido con la forma del número 7. Después de iluminar la lente con un láser pulsado, registraron el campo de sonido y el "7" deseado era claramente visible con alto contraste.
"Fue la primera demostración de cómo generar una distribución multifocal de sonido utilizando este enfoque, "Dijo Brown.
Hay muchos usos potenciales para los perfiles optoacústicos personalizados creados por el grupo. "El sonido muy intenso puede causar calentamiento o ejercer fuerzas sobre los objetos, como en pinzas acústicas, "Dijo Brown." Y ya se están utilizando dispositivos similares de un solo foco para escindir grupos de células y administrar fármacos dirigidos, por lo que nuestro trabajo podría ser útil en esa área ".
El grupo también está interesado en los efectos de la propagación a través de los tejidos, que introduce distorsiones en la forma de los frentes de onda provocadas por variaciones en la velocidad del sonido. "Si la estructura del tejido se conoce de antemano mediante imágenes, nuestro enfoque se puede utilizar para corregir estas aberraciones, "Dijo Brown." Manipular la forma y el tiempo durante el cual se genera el sonido enfocado también puede ser útil para maniobrar y controlar las células biológicas y otras partículas ".
Avanzando, Brown y su grupo esperan investigar el uso de otras fuentes de luz y las ventajas que podrían ofrecer.
"Una limitación de nuestro trabajo fue el uso de un láser de un solo pulso, "Dijo Brown." Esto significaba que la forma temporal del sonido generado a partir de la muestra era sólo un pulso corto, lo que limitaba la complejidad de los campos que se podían generar. En el futuro, estamos interesados en utilizar fuentes ópticas moduladas alternativas para iluminar estos dispositivos ".
