Представьте, что нужно собрать частицы, плавающие в жидкости, а затем переместить их, не касаясь инструментом. Исследователи показали лабораторный акустический пинцет, у которого рабочую область можно передвигать с помощью капель внутри микрофлюидного чипа. Работу опубликовали 14 октября 2026 года в журнале Microsystems & Nanoengineering.

Устройство состоит из трёх слоёв. Снизу расположен излучатель ультразвука, над ним чип с каплями между двумя пластинами, а ещё выше резервуар с образцом. Излучатель работает на частоте 0,96 МГц. В чипе капли окружены воздухом. На границе пластины с воздухом большая часть звуковой энергии отражается; через участки, заполненные жидкостью, она проходит в верхний резервуар гораздо лучше. Положение капли определяет, где возникает локальное акустическое поле.

Капли перемещают по электродам. Напряжение меняет смачивание поверхности под каплей, и она переходит к соседнему электроду. Вместе с каплей сдвигается участок, через который проходит ультразвук. Поле в верхнем резервуаре перестраивается, хотя сам излучатель остаётся на месте. С несколькими каплями можно создать несколько рабочих участков одновременно.

Авторы проверили принцип на полистирольных микрочастицах в жидкости: собирали их в скопления и направленно переносили. Затем провели опыты с клетками HeLa, A549 и дрожжами Saccharomyces cerevisiae. Клетки собирались в группы; для дрожжей показан также перенос скопления вслед за движением капли.

Есть и другой режим. На дно резервуара насыпали частицы углерода. Ультразвук вытеснял их из области над каплей. Когда каплю вели по заданному пути, на слое частиц оставался рисунок. Авторы таким способом вывели буквы «BIT» и отдельно показали квадратный рисунок на слое из яиц креветок.

Для клеток HeLa и A549 исследователи отдельно проверили жизнеспособность после 20 минут акустического воздействия. В этом опыте статистически значимого отличия от контрольных образцов не обнаружили. Такой результат относится к испытанным клеткам и условиям; долгую работу с тканями или применение в медицине он не подтверждает.

Сильная сторона конструкции в том, что положение акустического поля задаёт движущаяся капля, а источник ультразвука остаётся на месте. Пока это лабораторный прибор. Следующий полезный шаг состоит в проверке точности перемещения, повторяемости и работы с более сложными образцами. Если метод выдержит такие проверки, у исследователей появится ещё один способ обращаться с маленькими объектами в жидкости без механического захвата.

Источник: Wang и соавторы, Microsystems & Nanoengineering, 14 октября 2026 года, DOI 10.1038/s41378-026-01458-z.

Заставить маленький предмет висеть в воздухе с помощью звука умеют давно. Но обычно есть одна проблема: объект приходится фактически зажимать звуковым полем между излучателями или работать совсем рядом с источником.

Исследователи из Японии и Великобритании показали другой вариант: предмет стабильно висит почти в 40 сантиметрах от ультразвуковой решётки, хотя звук приходит только снизу.

А в одном из экспериментов между источником и парящим объектом вообще поставили препятствие.

Работа опубликована 24 августа в Physical Review Letters командой из Университета Цукубы, Бристольского университета и Pixie Dust Technologies. Исследователи называют результат первой экспериментальной демонстрацией устойчивой трёхмерной акустической левитации внутри области высокого давления бесселева пучка нулевого порядка.

И вот здесь начинается самое интересное.

Почему обычная акустическая левитация устроена иначе

Звук — это колебания давления в среде. Если создать достаточно интенсивное и правильно организованное ультразвуковое поле, возникающая акустическая сила способна противодействовать гравитации.

Предмет можно заставить буквально висеть в воздухе.

Классическая схема часто использует стоячую волну. В ней появляются устойчивые области, где частицу можно удерживать. Удобно, но геометрия установки сильно ограничивает свободу: нужны встречные волны, отражатель либо объект приходится держать близко к одностороннему излучателю.

С односторонней ловушкой возникает другая неприятность. Чем дальше объект от источника, тем слабее становится удерживающая сила. В какой-то момент поле уже не возвращает частицу к устойчивому положению, а начинает её выталкивать.

Авторы новой работы решили поменять не мощность, а форму самого звукового поля.

Вместо обычного луча — бесселев пучок

В эксперименте использовали ультразвуковую фазированную решётку из 256 излучателей, работающих на частоте 40 кГц. Они создают так называемый бесселев пучок нулевого порядка.

У него есть занятное свойство: центральная область высокой интенсивности остаётся сравнительно узкой на большом расстоянии.

Если совсем грубо представить обычный направленный пучок как луч фонарика, постепенно расширяющийся по мере удаления, то бесселев пучок больше напоминает длинную тонкую структуру с интенсивным центральным «стержнем».

Именно внутри этого стержня исследователи научились удерживать объект.

Причём здесь есть физически необычная деталь.

Во многих традиционных акустических ловушках частица находится около минимума звукового давления.

Здесь её удалось стабильно удерживать непосредственно в центральной области высокого давления бесселева пучка. Именно это авторы называют новым режимом акустической левитации.

Насколько далеко она действительно работает

В основном эксперименте использовался шарик из вспененного полистирола диаметром всего 1,5 мм.

Его удалось стабильно удерживать на расстояниях от 141 до 397 мм от ультразвуковой решётки.

То есть максимальная продемонстрированная дистанция — 39,7 сантиметра, или 46,6 длины волны.

Для сравнения, протестированная авторами обычная односторонняя ловушка работала примерно до 66,7 мм. Поэтому исследователи говорят почти о шестикратном увеличении рабочего расстояния.

Но система умеет не только удерживать шарик.

Авторы показали управляемое перемещение объекта в трёх измерениях, одновременную левитацию нескольких объектов и работу с предметами несферической формы. Среди продемонстрированных образцов были сухой чайный лист и кусочек аэрогеля.

А потом исследователи поставили на пути звука препятствие.

Самый эффектный эксперимент — левитация за препятствием

У бесселевых пучков есть ещё одно интересное свойство, которое называют self-healing — «самовосстановлением».

Название немного обманчиво. Звуковая волна, конечно, не чинит себя и не проходит сквозь непрозрачный объект.

Происходит другое.

Если часть пучка перекрыть, волны, распространяющиеся под углом вокруг препятствия, дальше снова интерферируют и восстанавливают центральную структуру поля.

Поэтому за препятствием опять появляется область, пригодная для удержания частицы.

В эксперименте исследователи действительно продемонстрировали левитацию объекта за физическим препятствием. Это уже интереснее простого рекорда расстояния: манипулятор потенциально получает возможность работать там, где между излучателем и объектом что-то находится.

Но 40 сантиметров — не значит, что завтра ультразвуком будут переносить телефоны

Вот здесь красивый заголовок легко превратить в совсем другую новость.

Исследователи не поднимали предметы обычного бытового размера на расстоянии 40 сантиметров.

Главный тестовый объект — шарик вспененного полистирола диаметром 1,5 мм. Это чрезвычайно лёгкий объект.

Поэтому из эксперимента пока нельзя делать вывод, что технология масштабируется до граммов, десятков граммов или тем более килограммов.

Не показан здесь и готовый промышленный манипулятор.

Речь пока о новом способе формирования акустической ловушки.

Именно возможность увеличить массу удерживаемых объектов, на мой взгляд, теперь становится одним из самых интересных вопросов.

А зачем вообще поднимать что-либо звуком?

Главное достоинство акустической левитации не в красивом трюке.

Это манипуляция без физического контакта.

Представьте материал, которого нежелательно касаться механическим захватом: очень хрупкий образец, вещество, которое нельзя загрязнять поверхностью инструмента, каплю реактива или потенциально опасный материал.

Контактный манипулятор здесь сам становится частью проблемы.

Ультразвуковой — нет.

Авторы поэтому называют среди возможных направлений автоматизацию экспериментов, работу с чувствительными или опасными материалами и объёмные дисплеи. Но это именно потенциальные применения новой физической платформы, а не готовые продукты.

И есть ещё одна любопытная перспектива.

Если объект можно не только удерживать далеко от источника, но и двигать в трёх измерениях, одновременно управлять несколькими частицами и работать за препятствиями, то ультразвуковая решётка постепенно превращается из лабораторного «левитатора» в настоящий бесконтактный манипулятор.

Пока — для очень маленьких и лёгких объектов.

Но ещё недавно именно рабочее расстояние было одним из серьёзных ограничений односторонних систем. Теперь его отодвинули почти до 40 сантиметров.

Что интересно обсудить

Мне здесь любопытнее всего не сама левитация — её демонстрируют уже много лет, — а вопрос масштабирования.

Как думаете, что окажется более жёстким пределом такой технологии: масса предмета, требуемая мощность ультразвука, точность управления или безопасность для окружающей среды?

Если среди пикабушников есть люди, работавшие с ультразвуком и фазированными решётками, особенно интересно услышать практический взгляд.

Первоисточники

Основная работа: Yusuke Koroyasu et al., Midair Single-Sided Acoustic Levitation in High-Pressure Regions of Zero-Order Bessel Beams, Physical Review Letters 137, 094001, опубликована 24 августа 2026 года. Статья открытая, лицензия CC BY 4.0.

Оригинальная статья в Physical Review Letters

Дополнительные материалы и описание установки опубликованы исследовательской группой Университета Цукубы; независимый университетский релиз с пояснениями дал также Бристольский университет.

Материалы исследовательской группы Университета Цукубы

Материал Бристольского университета