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StartseiteForschung aktuellObjekte anheben mit Ultraschall22.05.2019

Akustische PinzettenObjekte anheben mit Ultraschall

Wummernde Bässe zeigen: Schallwellen haben auch eine physische Kraft. Ein Ingenieursteam aus Bristol erforscht, wie sich diese Kraft gezielt nutzen lässt. Mit ihren "akustischen Pinzetten" können sie winzige Objekte anheben und manipulieren - in Zukunft vielleicht auch, um innere Wunden zu nähen.

Von Anneke Meyer

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Schallwellen könnten in Zukunft in Medizin und Industrie dazu dienen, Objekte berührungslos zu bewegen. (imago stock&people)

Bruce Drinkwater ist auf der Suche nach Wasser.

"Okay. Normalerweise haben wir hier eine rotgefärbte Flüssigkeit, die etwas cooler aussieht. Aber wir werden einfach normales Wasser benutzen müssen." 

Er findet schließlich ein kleines Fläschchen, zieht eine Pipette auf und hält ihr Ende in etwas, das an zwei übereinander montierte Müslischüsseln erinnert. Vorsichtig formt er einen Tropfen. Eigentlich soll das Wasser jetzt in der Luft schweben.

"Ooops…ja."

Tut es aber nicht.

"Lassen Sie mich hierher wechseln. Vielleicht brauchen wir etwas mehr Energie."

Was fehlt, ist nicht die PSI-Kraft, sondern Lautstärke. Bruce Drinkwater zeigt auf die Müslischüsseln.

"Hier auf dem Tisch vor uns stehen verschiedene akustische Manipulatoren. Sie bringen Dinge durch den Impuls von Schallwellen zum Schweben. Dieses hier ist ein kleiner Manipulator – wir nennen ihn Tiny-Lev. Sie haben alle Namen. Und das hier ist Hugh-Lev – also Riesen-Lev. Naja, eigentlich ist er nicht wirklich riesig. Aber er gehört zu den Größeren, die wir gebaut haben."

Töne können physische Kraft ausüben

Jeder, der schon einmal auf einem Konzert neben einer Bassbox gestanden hat, weiß, dass Töne physische Kräfte ausüben können. An seinem Lehrstuhl an der Universität Bristol in England, erforscht Bruce Drinkwater, wie man diese Kraft benutzen kann, um Dinge zu bewegen, ohne sie anzufassen. Die Schüsseln, in die der Ingenieur das Wasser tropfen lässt, sind aus zahlreichen kleinen Ultraschall-Lautsprechern gemacht. In der Mitte der Halbkugeln treffen die, für menschliche Ohren nicht hörbaren, Schallwellen aufeinander. Sie bilden eine stehende Welle, an deren Knotenpunkten Gegenstände eingefangen und so zum Schweben gebracht werden. Zumindest, wenn der Schallpegel hoch genug ist.

Bruce Drinkwater begibt sich wieder auf die Suche. Diesmal nach einem Kabel, mit dem sich die Stromzufuhr und damit indirekt die Lautstärke variieren lässt.

"OK, wir können die Spannung hier erhöhen. Jetzt sollten wir hoffentlich genug Energie haben."

Beim zweiten Versuch wird der Wassertropfen wie von unsichtbarer Hand von der Pipettenspitze gezogen und bleibt mitten in der Luft hängen.

"Da haben wir einen wunderschönen großen Tropfen."

Bruce Drinkwater spielt am Stromregler. Der Wassertropfen wird von den stärker werdenden Schallwellen verformt.

"Wir drehen den Strom hoch. Es geht fast in eine scheibenförmige Form über."

Er wird immer flacher.

"Und da gibt es irgendwo einen kritischen Punkt. Da, wir beginnen, den Tropfen zu atomisieren."

Wassertropfen, die in der Luft schweben

Bis er in viele kleine Tröpfchen zerplatzt, die wie auf einer Perlenschnur aufgezogen zwischen den Lautsprecherschalen schweben. An jedem Knotenpunkt der stehenden Welle ein Tröpfchen. Hübsch. Und mit ausgefeilteren Ultraschall-Manipulatoren ließen sich auch ganz andere Dinge bewegen, erklärt der Ingenieur.

"Natürlich fände ich es toll, Menschen schweben zu lassen, aber ich denke die wirklich wichtigen Anwendungsbereiche finden sich für die ganz, ganz kleinen Objekte, Zellen oder Mikroorganismen zum Beispiel. Im Moment können wir solch kleine Objekte durchs Mikroskop nur beobachten. Mit Ultraschall-Technik wäre es tatsächlich möglich, diese winzigen Dinge anzufassen und gezielt zu bewegen."

Ein Stück den Gang runter öffnet Bruce Drinkwater die Tür zu einem kleinen Raum, ohne Fenster und ohne Klimaanlage.

"Hier haben wir den ausgereiftesten unserer Manipulatoren. Wir machen die Experimente mit ihm hier drinnen, weil wir sehr genau arbeiten und messen wollen. Hier ist es leise und es gibt keinen Luftstrom."

In der Mitte steht ein großer Tisch mit jeder Menge Technik darauf: dünne, bunte Kabel, kleine Lautsprecher, Computer.

"Dieser Manipulator ähnelt Tiny-Lev und Hughe-Lev, die wir gerade gesehen haben. Der Unterschied ist, dass wir hier jeden einzelnen Lautsprecher individuell kontrollieren können. Dadurch können wir alle möglichen Schallmuster erzeugen und sie verformen, um Objekte genau dorthin zu bewegen, wo wir sie haben wollen - und zwar in Echtzeit."

Bis zu 25 Objekte gleichzeitig kann der Manipulator unabhängig voneinander in der Schwebe halten. Ein Algorithmus berechnet dafür exakt, wie der Schall aus jedem einzelnen Lautsprecher verändert werden muss. Bis vor kurzem ging das nur für vorab festgelegte Bewegungsmuster. Der neue Algorithmus ist so schnell, dass die Bewegungen jederzeit flexibel sind.

"Als hätte man unsichtbare Roboterhände"

"Wir haben damit ganz neue Möglichkeiten. Es ist, als hätte man unsichtbare Roboterhände. Es sieht aus wie Magie, ist aber Ultraschall. Diese unsichtbaren Hände können sogar den Körper durchdringen und in den Menschen rein fassen – das kann kein echter Roboter."

Kollegen vom Imperial College haben die unsichtbaren Ultraschall-Hände schon benutzt, um die Zucht von künstlichen Geweben zu optimieren. Perspektivisch könnte die Technik auch verwendet werden, um etwa innere Verletzungen zu vernähen oder Medikamente gezielt an ihren Wirkort zu befördern. Deutlich schneller könnte die Technik praktische Anwendung in der Industrie finden. Unterschiedliche Firmen haben bereits Interesse signalisiert.

Im Großraumlabor sieht Bruce Drinkwater sich noch einmal die Perlenkette aus Wassertropfen an, die immer noch in Tiny-Lev schwebt.

"So, der Professor hat es geschafft, ein Experiment durchzuführen."

Er grinst zufrieden, bevor er den Strom abstellt und die Tropfen zu Boden fallen.

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