Elementos Acústicos Holográficos Para La Manipulación De Partículas Levitadas_ Aplicaciones A La Interacción Por Computadora Humana_

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H ológrafo Un COUSTIC E ELEMENTOS PARA M ANIPULATION DE L EVITATED P ARTÍCULOS : A APLICACIONES A H UMAN -C OMPUTER I nteracciones .

Asier Marzo Perez Supervisor: Oscar Ardaiz Villanueva

Departamento de Matemáticas e Ingeniería Informática. Universidad Pública de Navarra

Esta disertación se presenta para el grado de Doctor en Filosofía Enero de 2016

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Tabla de contenido Esta tesis es un compendio de trabajos de investigación .......................................... ....................... 4 Resumen / Resumen ............................................... .................................................. .............. 5 Agradecimientos ................................................. .................................................. ............. 8

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Introducción: nuestras nuevas manos ............................................. .................................................. .... 9 Levitación para la interacción hombre-computadora ............................................ ........................ 11 Levitación Acústica ................................................ .................................................. ........ 11 Principios de la levitación acústica .............................................. ....................................... 12 Referencias ................................................. .................................................. ..................... 13 Documentos de investigación compilados ............................................... .................................................. .. 15 Ghost Touch: Convertir superficies en lienzos tangibles interactivos con Focused Ultrasonido. .................................................. .................................................. ................... 15 LeviPath: levitación acústica modular para visualizaciones de ruta 3D ............................... 16 Elementos acústicos holográficos para la manipulación de objetos levitados ....................... 17 GauntLev: un dispositivo portátil para manipular objetos flotantes ........................................ .. 18 Preguntas frecuentes sobre la investigación ............................................ ..................... 19 Conclusión / Conclusiones ............................................... .................................................. .. 24 Trabajo futuro ................................................ .................................................. ....................... 28

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Esta tesis es un compendio de trabajos de investigación Esta disertación se presenta como un compendio de trabajos de investigación. Es decir, la contribución es justificado reuniendo y colocando varios trabajos de investigación con un tema coherente que han sido aceptados en revistas indexadas o conferencias de alto impacto. Estas obras tienen realizado durante el doctorado y el doctorado ha jugado un papel importante en ellos. En la sección 2, hay un resumen de cada documento, la metodología y el acceso a los documentos. La solicitud de presentar esta tesis por compendio ha sido aprobada por el director de tesis [authDirector.pdf] y la escuela de doctorado [authComittee.pdf] siguiendo las reglas del universidad por presentar una tesis en esta modalidad [rulesCompendium.pdf] . Los siguientes artículos están incluidos en esta tesis: • Elementos acústicos holográficos para la manipulación de objetos levitados. Naturaleza Comunicaciones 2015. Impact Factor 10.5, Física Aplicada. Asier Marzo, Sue Ann https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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Seah, Bruce W. Drinkwater, Deepak Ranjan Sahoo, Benjamin Long, Sriram Subramanian. AM y BWD diseñaron, desarrollaron e implementaron los algoritmos y simulaciones; AM y SAS midieron las rodajas acústicas; AM y DRS midió las constantes de primavera; AM realizó el resto de los experimentos y escribió el papel; Todos los autores contribuyeron a la discusión y editaron el manuscrito. • GauntLev: un dispositivo para manipular objetos flotantes. ACM CHI. 2016 (hasta Aparecer). Core A *, Interacción hombre-computadora. Asier Marzo. [accept_GauntLev.pdf] • LeviPath: levitación acústica modular para visualizaciones de ruta 3D. ACM CHI . 2015. Core A *, Interacción humano-computadora. Themis Omirou, Asier Marzo, Sue Ann Seah, Sriram Subramanian. AM desarrolló la implementación técnica basada sobre la SA Además, AM escribió alrededor de la mitad del documento e hizo ediciones importantes al resto • Ghost Touch: convertir superficies en lienzos interactivos tangibles con Ultrasonido enfocado. ACM ITS 2015, Core A. Asier Marzo, Richard McGeehan, Jess McIntosh, Sue Ann Seah, Sriram Subramanian. AM desarrolló la técnica parte y escribió el periódico.

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Resumen / Resumen Resumen (inglés) Las ondas acústicas pueden levitar partículas de una amplia gama de materiales y tamaños a través del aire y el agua. o tejidos biológicos. Esto es de suma importancia para la cristalografía, la manipulación celular, escenarios de laboratorio en un chip, farmacología, transporte sin contenedores e incluso levitación de cosas vivas. Hasta la fecha, las partículas levitadas tenían que estar encerradas por elementos acústicos como los levitadores de un solo lado solo ejercen fuerzas de atrapamiento lateral o fuerzas de tracción. Además, La traducción y la rotación de la trampa fueron limitadas. Aquí, por primera vez, mostramos la acústica completa atrapamiento, traslación y rotación de partículas levitadas utilizando una matriz en fase de un solo lado. Nuestro el enfoque crea trampas óptimas en las posiciones de destino para cualquier disposición espacial y Mejora significativamente los manipuladores anteriores. Reportamos tres trampas acústicas óptimas: Twin trampas, un novedoso fenómeno acústico con la capacidad de rotar objetos; Trampas de vórtice, previamente solo se muestra teóricamente; y trampas para botellas, nunca antes se ha comprobado que levitan objetos. Nosotros también Introducir el concepto de elementos acústicos holográficos (HAE) basado en la interpretación de modulaciones de fase de los transductores como una placa holográfica que combina la codificación de Elementos acústicos identificables. Los HAE nos permiten analizar y generar eficientemente acústica trampas y compararlas con trampas ópticas. Este trabajo trae las ventajas de la levitación óptica (haz único, rotación, holográfico control y partículas múltiples) a la eficiencia y versatilidad de la levitación acústica. Como un Como resultado, esperamos el desarrollo de potentes haces de tractor, pantallas físicas 3D o https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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nanomáquinas internas controladas acústicamente que no interfieren con la visualización de MRI. Las nuevas aplicaciones para la interacción hombre-computadora (HCI) pueden derivarse de la posibilidad de mover objetos de forma remota en el aire a ubicaciones específicas e incluso a través de obstáculos. En En la configuración más básica, movemos partículas sobre una superficie para pintar sobre arena o líquidos. distancia y sin contacto. Un sistema más avanzado posiciona un par de objetos en 3D permitiéndonos representar funciones y posiciones de objetos como planos o asteroides. los El objetivo final de una pantalla es levitar cientos de partículas de forma independiente para formar diferentes formas

Página 6 66 Resumen (Español) Las ondas acústicas ejercen fuerzas de radiación que forman trampas acústicas en los puntos donde estas fuerzas convergen. Estas trampas acústicas permiten la levitación de partículas de una amplia gama de materiales y tamaños a través de aire, agua o tejidos biológicos. Esto es de suma importancia para cristalografía, complicación celular, sistemas lab-on-a-chip, biomateriales, transporte sin contacto e incluso la levitación de seres vivos. Con los levitadores acústicos anteriores, las partículas atrapadas específicas que ser rodeadas por elementos acústicos. Los levitadores de una sola cara (o de un solo haz), solo ejercían fuerzas laterales, empuje o requisitos del uso de una lente acústica. Además, la translación y rotación de las partículas eran limitadas. Los levitadores de un solo eje son la forma más común de generar trampas acústicas. Se componen de un transductor acústico y un reflector u otro transductor encima. Esto genera Una onda estacionaria entre los dos elementos y sus nodos actúan como trampas. Al cambiar la diferencia de fase entre los transductores, las trampas se mueven en una sola dimensión sin necesidad de accionamiento mecánico. Varias configuraciones para la manipulación en dos dimensiones se han explorado, por ejemplo, una matriz plana de transductores y un reflector paralelo mismo movimiento dentro del plano de la matriz. Alternativamente una formación circular de transductores orientada hacia el interior puede trasladar y rotar una partícula dentro del círculo. La traducción en 3D es posible con cuatro matrices colocadas formando un cuadrado. Específicamente, elementos piezoeléctricos fabricados a medida se han Usados para crear trampas con dispositivos de una sola cara (pinzas acústicas). Pecado embargo, estas trampas ejercen únicamente fuerzas laterales y por lo tanto las partículas tienen que estar apoyadas sobre una superficie. Fuerzas de tracción que actúan en contra de la dirección de propagación (rayos tractores) se han visto en agua usando partículas de forma triangular y en aire usando botellas acústicas. Trampas en tres dimensiones con dispositivos de una sola cara se han probado teóricamente y recientemente una trampa 3D estática bajo el agua ha sido reportada. No obstante, se requería una lente acústica física, https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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Lo que introduce una considerable pérdida de energía y limita la posición de la trampa al foco.

Página 7 77 Atrapamiento controlado en 3D, traslación y rotación con un dispositivo de una sola cara permitiría a las pinzas acústicas convertirse en los homólogos de mayor escala de las pinzas ópticas, abriendo aplicaciones en el procesamiento de materiales, fabricación de microescala y biomedicina. En mi trabajo, demostramos automáticamente 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 posición espacial de los transductores; además, mejora efectivamente los manipuladores anteriores. Presentamos tres trampas acústicas óptimas: trampas pinza, un nuevo fenómeno acústico que también puede rotar objetos; trampas tornado, nuestras capacidades de levitación se específicamente teóricamente y recientemente se observaron experimentalmente usando una lente acústica fija; y trampas en botella, que nunca han sido ni probadas ni sugeridas para objetos levitar. También introducimos el concepto de elementos holográficos acústicos basados 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.

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Expresiones de gratitud Puede parecer obvio, pero las primeras personas a quienes debo agradecer son mi familia. estoy aquí porque mis padres me tenían; y obtuve un título porque tenían dinero para pagarlo. Además, siempre me han permitido perseguir el objetivo que quería, siendo estúpido como crear una banda o seguir una carrera de investigación. Del mismo modo, desde que era muy pequeño, yo Recuerdo a mis hermanos jugando con computadoras. Por lo tanto, programar es algo natural para mi Las segundas personas más importantes son mis amigos, desde la escuela hemos pasado mucho tiempo juntos. Todos teníamos diferentes pasatiempos, grados o formas de enfrentar los problemas. Realmente lo aprecio esta variedad y tengo la ingenua idea de que sería fantástico trabajar con ellos en un empresa. Los contribuyentes dan a la investigación una cantidad significativa de lo que ganan con un esfuerzo tremendo, incluso cuando a veces parece dinero desperdiciado en nuestras manos, los investigadores. yo siempre tenerlos presentes en futuras investigaciones. Puede que mis documentos no hayan sido útiles, pero trabajaré para crear tecnología útil para la humanidad y responder preguntas con profundas implicaciones o que satisfacen enormemente nuestra curiosidad. Para mis maestros, pusieron mucho esfuerzo en enseñarme los conceptos más importantes requeridos por ser un ingeniero informático exitoso o un científico. Pero más que el conocimiento técnico, Su actitud curiosa y humilde es lo que realmente inspira a sus alumnos. Del mismo modo, debería ser Agradecido a mis colegas, la mayoría de las ideas que tengo o tendré son solo un conglomerado de cosas que he escuchado de ellos o que hemos discutido mientras bebiendo té y jugando videojuegos. A los rechazos: todos los trabajos de investigación presentados en esta tesis son aceptados; sin embargo, Los rechazos han sido más comunes, especialmente en los primeros días. He aprendido la mayor parte de cosas a través de rechazos y ahora no me importa. Después de esta tesis, realmente disfruto aprendiendo y no te estreses por todas las cosas que no sé o me equivoco.

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Introducción: nuestras nuevas manos La curiosidad es una de las características más bellas e interesantes de la humanidad. Es lo inherente deseo de descubrir y comprender todas las cosas que nos rodean: de la marea de los océanos a las partículas fundamentales que componen la materia. Este deseo de comprender y explorar podría https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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ser un rasgo evolutivo o una necesidad indirecta de responder las preguntas finales de quién somos, de dónde venimos y hacia dónde vamos. En cualquier caso, la curiosidad ha sido un fuerte determinante en nuestro éxito. La curiosidad requiere la capacidad de ver y manipular las entidades que nos rodean. Necesitamos ver por adquiriendo información sobre el medio ambiente, el método principal para esto es nuestros sentidos y entre ellos, nuestros ojos son los más desarrollados. Por otro lado, necesitamos manipular las entidades que estamos observando, ya sea para construir otras nuevas o simplemente para entender sus Mecanismos internos. En este sentido, nuestras manos son capaces de increíbles hazañas milimétricas. precisión guiada por la coordinación motor-ojo, propiocepción y tacto. No obstante, nuestras manos presentan varias limitaciones, por ejemplo, requieren contacto con el manipulan objetos y los ocluyen parcialmente, son vulnerables al calor o ciertos sustancias y recoger o liberar objetos pequeños es difícil. Para superar estas limitaciones, Creamos y empleamos herramientas. Sosteniendo un martillo, usando guantes o sacando una astilla son ejemplos de cómo las herramientas han acelerado nuestro éxito como especie. Del mismo modo, nuestros ojos solo pueden capturar una fracción minúscula del espectro electromagnético. y en una escala que parece estar muy lejos de los átomos o las estrellas. Por suerte, hemos desarrollado microscopios y telescopios que ampliaron nuestro alcance y escala. Incluso hemos superado el límite inherente de la luz para visualizar cosas más pequeñas que su longitud de onda con tecnologías como microscopía electrónica, cristalografía de rayos X o microscopía de súper resolución. Podemos incluso Observe el rastro de partículas fundamentales en las cámaras de burbujas. También hemos creado nuevas herramientas de manipulación o, en otras palabras, nuevas manos. Microscópico pinzas o grúas son un par de ejemplos, pero tenemos "manos" mucho más avanzadas. Incluso Desde los años 60 se sabía que un láser focalizado podía atrapar partículas pequeñas (también conocido como óptico pinzas), con esta tecnología podemos estirar las cepas de ADN o retener átomos para enfriarlos a las temperaturas mas bajas. También hemos utilizado electricidad para manipular partículas.

Página 10 10 (electroforética) son las entidades manipuladas cosas tan variadas como las proteínas en una placa de Petri o plasma dentro de un Tokamak. CRISPR o TALEN son solo algunas de las técnicas que implican que podemos editar secuencias de genes con un control sin precedentes. Hoy en día, las impresoras 3D son la corriente principal y sus contrapartes para el nanomundo se están utilizando cada vez más (por ejemplo, 2 litografía de fotones). Sin embargo, nuestra capacidad de ver siempre ha sido anterior a nuestra capacidad de manipulación; nuevas tecnologías porque la manipulación es muy codiciada. En esta tesis, avanzamos más allá del estado del arte en acustophoretics; a saber, la manipulación de partículas usando la fuerza de radiación acústica. Al ser una onda mecánica, la manipulación acústica tiene la mejor eficiencia en la potencia de entrada. a la fuerza de salida. El sonido puede viajar a través del aire, agua, tejidos o sólidos y su rango de frecuencia permite manipular cosas desde la escala microscópica (como células o microorganismos) hasta macroescala (rodamientos de acero o gotas de líquido). Aplicamos los nuevos resultados a Human-Computer https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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La interacción (HCI) pero la levitación acústica holográfica también encontrará aplicaciones impactantes en otros campos

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Levitación para la interacción humano-computadora La levitación es el proceso de suspender objetos en el aire sin ningún soporte mecánico. Además, la posibilidad de mover estos objetos generalmente está asociada con la levitación. Como Es de esperar, las aplicaciones de objetos en movimiento en el aire son numerosas y atractivas. Por ejemplo, un objeto que levita en el aire puede representar la posición de un avión o asteroide; los objetos vinculados podrían representar átomos que forman una molécula; y se pueden usar partículas flotantes como vóxeles para representar volúmenes en 3D, o simplemente como una pantalla de proyector para proyectar movido y moldeado. Se han explorado y utilizado varias formas de crear levitación para la manipulación de objetos. La levitación óptica se basa en la transferencia de fotones momentum [ 1] . Aunque es extraordinariamente preciso para manipular células y átomos, las fuerzas y tamaños de las partículas que puede controlarse lo hace inadecuado para aplicaciones HCI. Del mismo modo, el cuanto El efecto Casimir permite la levitación pero solo de objetos a nanoescala [ 2] . La levitación magnética se ha utilizado en HCI y fue ejemplificada por el sistema llamado ZeroN [3 ], donde una esfera magnética de 3 cm de diámetro fue levitada en un espacio de interacción de 20 cm. Sin embargo, el control magnético es para una de las dimensiones, solo un objeto levitado puede ser controlado y las propiedades materiales del objeto tangible son limitadas, ya que debe ser magnético. Se han utilizado enfoques más tradicionales como los chorros de aire para controlar la posición de un objeto [4 ]. Sin embargo, las boquillas se colocaron alrededor del objeto y la levitación fue https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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interrumpido tan pronto como alguno de los chorros fue ocluido por la mano del usuario.

Levitación acústica Una opción interesante para mover objetos es el uso de ondas de ultrasonido, ya que ejercen radiación fuerzas [5 ]. Además, con el uso de matrices en fases [6], los haces de sonido se pueden dirigir y focalizado en diferentes posiciones con precisión precisa y sin la necesidad de mecánica actuación. Por ejemplo, se pueden usar ráfagas de ultrasonido para mover objetos ligeros sobre un piso superficie [7] que permite la actuación de objetos tangibles. Usando estructuras acústicas adecuadas, las partículas se pueden suspender completamente en el aire usando sonido [8] . La disposición más básica para producir este efecto es un transductor (emisor de sonido) y un reflector en la parte superior [9 ], creando una onda estacionaria y permitiendo que las partículas leviten en los nodos.

Pagina 12 12 Al cambiar el retraso de fase o la amplitud de los transductores, el movimiento de la partícula puede lograrse. Una cuadrícula de transductores y un reflector en la parte superior permiten mover una partícula en 2D, paralela al reflector, cambiando la amplitud de los transductores [10 , 12]. Además, una formación de anillo de transductores pueden traducir una partícula dentro del círculo 2D formado [11 ]. Finalmente, la traducción 3D se logró con 4 arreglos ortogonales [13 ].

Principios de levitación acústica Se genera un campo acústico monofrecuencial cuando todas las fuentes de sonido emiten con La misma frecuencia. Las fuentes suelen ser transductores que pueden transformar pulsos eléctricos. en ondas mecánicas Los campos acústicos monofrecuenciales se pueden definir con un valor complejo para cada posición del espacio, es decir (,,) = siendo la presión compleja en un punto determinado. La amplitud es el módulo de la presión y la fase es el argumento: = | |, ℎ = arg. El potencial de Gor'kov (U) es una simplificación de las ecuaciones de Navier-Stokes que se pueden usar para determinar las fuerzas que actúan sobre una esfera pequeña cuando está dentro de un campo acústico. =23[

〈 2〉 3

2

-

〈 2〉 2

]

donde R es el radio de la esfera, es la densidad media y es la velocidad del sonido en el medio 〈 2〉 y 〈 2〉 son las amplitudes cuadradas medias de la presión y la velocidad en El centro de la esfera. El gradiente del potencial representa las fuerzas que actúan sobre un pequeño esfera. Por lo tanto, un punto de levitación es una posición en la que convergen todas las fuerzas; eso es un mínimo del potencial. Las ondas estacionarias pueden atrapar partículas en sus nodos [ 9] porque estas áreas representan un mínimo del potencial de Gor'kov. Las ondas estacionarias contienen una secuencia de nodos y antinodos puntos nodos con amplitud mínima y puntos antinodos con amplitud máxima. Las ondas estacionarias se crean cuando dos ondas de la misma frecuencia se oponen direcciones encuentro. La capacidad de controlar las ondas estacionarias permite la traducción de https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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los objetos levitantes que están contenidos dentro.

Página 13 13 Los levitadores de un solo eje consisten en dos elementos acústicos opuestos que generan una onda estacionaria entre ellos. Un transductor y un reflector en la parte superior es una configuración simple para un solo estático Levitador de eje [9 ]. Si el reflector se reemplaza con otro transductor, entonces cambia la fase la diferencia entre los transductores desplazará la onda estacionaria hacia arriba y hacia abajo generando Movimiento 1D en las partículas atrapadas. Los levitadores de matriz plana comprenden una cuadrícula 2D de transductores y un reflector en la parte superior [10 , 12]. Por Al cambiar la amplitud de los transductores posteriores, la onda estacionaria se puede mover en 2D plano paralelo al reflector y al conjunto de transductores. Tanto los manipuladores de eje único como los planos carecen de maniobrabilidad 3D. Investigaciones recientes han recurrentes a matrices en fases opuestas para tener control total sobre la onda estacionaria. Una fase array es una red de transductores que emiten todos con la misma frecuencia y amplitud. Por fases Las matrices pueden dirigir y focalizar el haz sin mover mecánicamente la matriz. Ochiai y col. [13] utilizó cuatro matrices en fase colocadas ortogonalmente para generar dos líneas focales perpendiculares, en el que las intersecciones generan un punto de levitación.

Referencias 1. A. Ashkin y JM Dziedzic. Levitación óptica por presión de radiación. Aplicado Physics Letters, 19 (8), 283-285. 1971 2. JN Munday, F. Capasso y VA Parsegian. Medido repulsivo de largo alcance Casimir – Lifshitz fuerzas. Nature, 457 (7226), 170-173. 2009 3. J. Lee, R. Post y H. Ishii. ZeroN: interacción tangible en el aire habilitada por computadora levitación magnética controlada. En las actas del 24 ° simposio anual de ACM en Software y tecnología de interfaz de usuario'11 (Nueva York, NY), páginas 327-336 ACM, 2011 4. S. Iwaki, H. Morimasa, T. Noritsugu y M. Kobayashi. Manipulación sin contacto de Un objeto en una superficie plana usando múltiples chorros de aire. En robótica y automatización (ICRA), IEEE International Conference on (págs. 3257-3262). IEEE 2011 5. H. Bruus. Acoustofluidics 7: la fuerza de radiación acústica en partículas pequeñas. Laboratorio en un Chip 12, 1014-1021. 2012 6. A. McNab y MJ Campbell. Matrices por fases ultrasónicas para pruebas no destructivas. END internacional, 20 (6), 333-337. 1987.

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Página 14 14 7. M. Marshall, T. Carter, J. Alexander y S. Subramanian. Ultra tangibles: creando objetos tangibles móviles en mesas interactivas. En Actas de la SIGCHI Conferencia sobre factores humanos en los sistemas informáticos (pp. 2185-2188). ACM 2012 8. H. Brandt, Levitación en Física, Ciencia, Nueva Serie, vol. 243, núm. 4889, págs. 349355, 20 de enero de 1989. 9. RR Whymark. Posicionamiento de campo acústico para procesamiento sin contenedor. Ultrasonidos 13, 251-261. 1975. 10. D. Foresti, M. Nabavi, M. Klingauf, A. Ferrari y D. Poulikakos. Acustoforético Transporte sin contacto y manipulación de la materia en el aire. Actas de la Nacional Academy of Sciences 110, páginas 12549-12554, 2013. 11. S. Seah, B. Drinkwater, T. Carter, R. Malkin y S. Subramanian. Correspondencia: Levitación ultrasónica diestra de objetos de tamaño milimétrico en el aire. IEEE TUFFC 61, páginas1233-1236, 2014. 12. Glynne-Jones, P., Démoré, CE, Ye, C., Qiu, Y., Cochran, S. y Hill, M. ArrayManipulación ultrasónica controlada de partículas en resonador acústico plano. IEEE Transacciones en ultrasonidos, ferroeléctricos y control de frecuencia 59, 1258-1266 (2012) 13. Y. Ochiai, T. Hoshi y J. Rekimoto. Polvo de duendes: gráficos generados por levitados y objetos animados en campo de potencial acústico computacional. Transacciones de ACM en Gráficos 14, 2014.

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Documentos de investigación compilados Como se indicó anteriormente, esta tesis es un compendio de trabajos de investigación. Es decir, la contribución. de la tesis debe juzgarse atendiendo a los trabajos presentados en esta sección.

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Todos los trabajos presentados tienen una línea de investigación coherente que en general es la radiación acústica. fuerzas y más específicamente, manipulación acústica para aplicaciones en computadora humano Interacción. Para cada trabajo, incluimos el resumen, la metodología empleada y cómo es abarcado por el tema general de la tesis. Se adjuntan los documentos completos; ellos tienen ha sido publicado en revistas o conferencias de alto impacto. Además, en todos ellos la El doctorado ha hecho una contribución significativa.

Ghost Touch: Convertir superficies en lienzos tangibles interactivos con Focused Ultrasonido. Documento completo [paper_GhostTouch.pdf] , enlace en línea . Las tecnologías de arte digital aprovechan las capacidades de entrada, salida y procesamiento de computadoras modernas Sin embargo, los sistemas digitales completos carecen de la tangibilidad y expresividad de sus contrapartes tradicionales. Presentamos Ghost Touch, un sistema que activa remotamente medio artístico con una matriz de ultrasonidos en fase. Ghost Touch transforma una superficie normal en un lienzo tangible interactivo en el que los usuarios y el sistema colaboran en tiempo real para producir una pieza artística. Ghost Touch es capaz de detectar rastros y reproducirlos, por lo tanto, permite operaciones digitales comunes como copiar, pegar, guardar o cargar mientras manteniendo la tangibilidad del medio tradicional. Ghost Touch ha mejorado la expresividad ya que utiliza un algoritmo novedoso para generar múltiples puntos focales de ultrasonido con niveles de intensidad Se pueden realizar diferentes efectos artísticos sobre arena, leche y tinta o jabón líquido. La metodología para el algoritmo es básicamente un enfoque de optimización. Más específicamente, la presión en esos puntos objetivo se define con una fórmula analítica que solo tiene la fase de los transductores como los parámetros. Esta fórmula se obtiene utilizando el modelo Piston para predecir la presión que ejerce un transductor en un punto dependiendo de sus diferentes parámetros (es decir, apertura, potencia, posición y orientación). El campo acústico es lineal y así, el campo ejercido por todos los transductores es la adición compleja de la presión compleja

Página 16 dieciséis generado por cada transductor. Luego, se utiliza un optimizador no lineal para minimizar la diferencia entre la presión deseada y actual en los puntos objetivo. Para desarrollar el sistema, nosotros utilizó una matriz en fases compuesta por 256 altavoces, una cámara y un pequeño proyector. Una PC normal recibió los datos de todos los dispositivos y ejecutó un software desarrollado en Java con lo siguiente funcionalidades: detectar el rastro del usuario, proyectar en la posición deseada con un mapeo entre el espacio virtual y el lienzo real; y finalmente, calculando las fases para enviar a la matriz en fases para crear los puntos focales en los objetivos deseados y con los requisitos presión. Este trabajo es el más simple de todos en términos de levitación acústica, pero ilustra cómo controlar la presión muy fina y por lo tanto la fuerza de radiación acústica. Aunque la levitación no es directamente logrado, los medios artísticos (arena o líquidos) se desplazan a lo largo del lienzo. Esta podría considerarse como levitación 2D. https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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LeviPath: levitación acústica modular para visualizaciones de ruta 3D Documento completo [paper_Levipath.pdf] , enlace en línea . LeviPath es un sistema modular para levitar objetos a través de rutas 3D. Consiste en dos opuestos matrices de transductores que crean una onda estacionaria capaz de suspender objetos en el aire. Para controlar la onda estacionaria, el sistema emplea un algoritmo novedoso basado en la combinación Patrones básicos de movimiento. Nuestro enfoque permite el control de múltiples cuentas simultáneamente a lo largo de diferentes caminos 3D. Debido a los patrones y al uso de solo dos opuestos matrices, el sistema es modular y puede escalar su espacio de interacción uniendo varios LeviPaths. En este artículo, describimos la arquitectura del hardware, los patrones básicos de movimiento y cómo combinarlos para producir visualizaciones de ruta 3D. Este es el primer algoritmo para posicionar una partícula levitante en 3D usando solo 2 matrices opuestas de transductores. El algoritmo es muy simple y se basa en patrones básicos de interpolación lineal. que levitan objetos en posiciones conocidas. Cuando los patrones se interpolan, la levitación Los puntos también se interpolan. A pesar de usar un algoritmo básico, este trabajo fue una gran mejora en acústica manipulación, por primera vez fue posible controlar una partícula en 3D con solo dos matrices opuestas. Esto simplifica los sistemas y los hace más modulares. Adicionalmente, se resaltan algunas aplicaciones en HCI, como la representación de rutas 3D.

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Elementos acústicos holográficos para la manipulación de objetos levitados. Documento completo [paper_holographicLevitation.pdf] , [paper_holographicLevitation_Appendix.pdf] , enlace en línea . El sonido puede levitar objetos de diferentes tamaños y materiales a través del aire, el agua y los tejidos. Esta nos permite manipular células, líquidos, compuestos o seres vivos sin tocar o contaminándolos. Sin embargo, la levitación acústica ha requerido que los objetivos estén encerrados elementos acústicos o tenían maniobrabilidad limitada. Aquí optimizamos las fases utilizadas para conducir una matriz en fase ultrasónica y muestra que la levitación acústica se puede emplear para traducir, rotar y manipular partículas utilizando incluso un emisor de un solo lado. Además, presentamos El marco de elementos acústicos holográficos que permite la generación rápida de trampas y Proporciona un puente entre el atrapamiento óptico y acústico. Estructuras acústicas con forma de pinzas, trabalenguas o botellas emergen como los mecanismos óptimos para las vigas del tractor o transporte sin contenedores. La levitación de un solo haz podría manipular partículas dentro de nuestro cuerpo para aplicaciones en el suministro de medicamentos dirigidos o micro máquinas controladas acústicamente que no interfieren con la resonancia magnética. La metodología para este trabajo se basa en expresar la fuerza de captura en un punto como Laplaciano del potencial de Gorkov. El Gorkov laplaciano mide la convergencia de las fuerzas a las que se somete un objeto esférico cuando se coloca en una posición específica de un https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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campo acústico Esta función se puede expresar solo con la fase de los transductores como parámetros Luego, con un optimizador no lineal, se pueden obtener las fases óptimas. Es decir, Las fases que generan las fuerzas de captura más fuertes en los puntos deseados. Más importante, observamos que las fases óptimas siempre pueden descomponerse en un elemento de enfoque y una firma de fase que era la misma independientemente del punto de levitación. En otras palabras, el Las soluciones óptimas representan placas holográficas equivalentes a las utilizadas en Holográfica Elementos ópticos Para construir los dispositivos utilizamos impresoras 3D, cortadoras láser y personalizadas. hecho tableros de conductor. Este es el artículo principal de la tesis. Este documento permite por primera vez levitar partículas con cualquier dispositivo, incluso los de un solo lado. Además, este documento presenta una nueva comprensión de la trampas óptimas ya que pueden analizarse como hologramas acústicos. Esperamos que este artículo se convierte en un referente en manipulación acústica y motiva más trabajo en ello.

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GauntLev: un dispositivo portátil para manipular objetos flotantes Documento completo [paper_GauntLev.pdf] Una herramienta capaz de generar fuerzas remotas nos permitiría manejar materiales peligrosos y a la deriva objetos en entornos Zero-g sin contacto u oclusiones. La levitación acústica es una adecuada tecnología ya que puede atrapar partículas a través del aire o el agua. Sin embargo, ningún enfoque ha tratado de dotar a los humanos de una forma entrelazada de controlarlo. Anteriormente, los elementos acústicos. eran estáticos, tenían que encerrar las partículas y solo era posible la traducción. Aquí presentamos Las maniobras básicas que se pueden realizar cuando los levitadores están unidos a nuestro movimiento manos. Un guantelete de levitación y un destornillador sónico se presentan con sus maniobras. para capturar, mover, transferir y combinar partículas. Se pueden realizar maniobras manual o asistido por una computadora para repetir patrones, estabilizar y mejorar precisión o velocidad Los prototipos presentados tienen fuerzas limitadas pero simbolizan un hito en nuestras expectativas de tecnología futura. Los métodos para generar las trampas entre dos dedos o con la palma eran los mismos que del artículo anterior. Para identificar las maniobras que se pueden realizar con levitadores portátiles, en primer lugar utilizamos un entorno virtual para simularlos y probarlos interactivamente y luego, cuando se seleccionaron los mejores candidatos, los probamos con el verdadero Levitadores. Este documento es una demostración de cómo las nuevas trampas descubiertas en el documento anterior podrían ser utilizado para una aplicación práctica Además, la aplicación es bastante futurista y apunta a demostrando que no estamos tan lejos de algunos de los conceptos que se han restringido a la ciencia ficción.

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Preguntas frecuentes sobre la investigación ¿Cuáles son los principales hallazgos y por qué es importante ? Que es posible crear campos acústicos que levitan, mueven y rotan partículas sin contacto, incluso cuando el sonido se emite desde una superficie plana (haz único). También nosotros demostrar que esta superficie plana representa una placa holográfica y, por lo tanto, que esta El problema puede analizarse con un marco holográfico. Importancia de levitar con sonido: las ondas de sonido tienen la mejor relación de potencia de entrada a ejerció fuerza; El sonido puede viajar a través del aire, el agua y el tejido humano. Importancia del haz único: no es necesario rodear la partícula con elementos acústicos. Esta Da más maniobrabilidad y mejor visibilidad de la partícula manipulada. Importancia del marco holográfico: es la forma más rápida de generar trampas acústicas en La posición deseada. Además, es un puente entre el atrapamiento óptico y acústico que permite transferir las técnicas que ya se conocían de un campo a otro. ¿Cuáles son las aplicaciones prácticas de esta tecnología de rayo tractor ? Con haces de tractor más potentes capaces de levitar objetos más grandes y de más lejos distancias, imagino aplicaciones para controlar objetos flotantes a la deriva en gravedad cero ambientes (es decir, la Estación Espacial Internacional). Manipulación in vivo: el sonido no puede viajar a través del vacío del espacio, pero puede hacerlo a través de agua o tejido humano. Potencialmente, esto permite la manipulación de coágulos, cálculos renales, drogas cápsulas, instrumentos microquirúrgicos o células dentro de nuestro cuerpo sin ninguna incisión. También estamos explorando cómo manipular miles de partículas individualmente. Esto sería Permitir el desarrollo de pantallas 3D compuestas de millones de partículas levitantes que actúan como píxeles tangibles Este tipo de pantalla redefinirá cómo interactuamos con gráficos interactivos y abre la puerta a nuevas investigaciones en HCI.

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Página 20 20 ¿Por qué vigas de tractor? ¿Cómo decidiste hacer esta investigación? (¿Fue Star Trek o el ¿Destornillador sonico? ) La posibilidad de sostener y manipular objetos a distancia y sin El contacto es intrínsecamente emocionante. Puede ser algo mundano como levitar el control remoto de la mesa a la mano; o algo increíble sofisticado como pantallas tangibles compuestas de millones de partículas levitantes que actúan como píxeles. Y por qué no, me gusta la visión definitiva de reorganizar asteroides o construir cosas átomo a átomo. Esto es esencialmente un "haz de tractor" sónico, ¿correcto? ¿Cómo es que las ondas de sonido pueden ser aprovechado para funcionar como un rayo tractor, qué tipo de sonidos se utilizan, ¿pueden escucharse? por oídos humanos (básicamente, ¿cómo funciona esto ? ) Exactamente. Usamos ondas sonoras para ejercer las fuerzas. Como onda mecánica, el sonido puede ejercer fuerzas significativas sobre los objetos, solo recuerda la última vez que estuviste en un concierto y tu cofre vibraba con la música, o esa vez en el mar cuando una ola te empujaba. Una onda simple empujará la partícula en la dirección de propagación. Sin embargo, múltiples las ondas interferirán entre sí y crearán complejas formas acústicas en 3D que ejercen fuerzas desde todas las direcciones y mantener la partícula en su lugar. Una matriz en fase ultrasónica se compone de varios altavoces denominados transductores. Cada transductor reproduce una onda sinusoidal de la misma frecuencia y amplitud pero con compensaciones ligeramente diferentes (retrasos de fase). Las ondas se emiten desde un bidimensional. Sin embargo, sus patrones de interferencia crean una forma tridimensional arriba. Un canon es una composición musical en la que varios instrumentos tocan la misma melodía. pero comenzando en diferentes momentos. La composición está cuidadosamente diseñada para crear hermosas armonías en cada instante que resultan de la combinación de la misma melodía tocada en diferentes puntos Del mismo modo, nuestro algoritmo informático calcula los retrasos de fase para cada transductor para que el oyente, la partícula en nuestro caso, quede rodeado por la acústica deseada niveles. Usamos ultrasonido de frecuencia de 40Khz, los humanos solo pueden escuchar por debajo de 20Khz.

Página 21 21 Otros investigadores el año pasado publicaron un artículo en Nature que describe un rayo tractor utilizando tecnología láser. ¿Su papel y ese papel indican que hay varios posibles enfoques para la tecnología de rayo tractor?

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Diferentes campos pueden ejercer fuerzas sobre objetos remotos, cada campo tiene sus ventajas y desventajas La levitación magnética es potente pero de alcance restringido, no muy controlable y limitado en los materiales que pueden ser levitados. La levitación óptica ejerce fuerzas muy débiles. y la levitación cuántica, incluso las más débiles. Creo que es importante explorar todas las diferentes tecnologías para la manipulación sin contacto. En el pasado, nuestras manos eran nuestra herramienta principal para manipular objetos, pero necesitamos nuevas herramientas para resolviendo los desafíos actuales (exploración espacial, nanopartículas o fusión nuclear solo por mencionar unos pocos. ¿Qué hizo que el sonido fuera el método correcto de manipulación ? La levitación magnética tiene un alcance restringido, poco controlable y limitado en los materiales. eso puede ser levitado. La levitación óptica ejerce fuerzas muy débiles y la levitación cuántica incluso los más débiles Eso solo deja sonido, que como onda mecánica puede ejercer fuerzas significativas en objetos Además, nuestro equipo tiene mucha experiencia en el control de la ecografía. Lamentablemente, nuestro el rayo tractor no funcionará en el vacío del espacio ya que las ondas mecánicas no viajan a traves de. En términos muy simples, ¿podría explicar qué es un holograma acústico ? En Star Wars, puedes ver un holograma del proyecto de la princesa Leia (un campo de luz 3D) desde un disco del robot R2D2 (una superficie 2D). Un holograma acústico es exactamente el mismo pero en cambio de usar ondas de luz usamos ondas de sonido. No puede ver un holograma acústico pero lo hará ejercer fuerzas sobre los objetos que están contenidos dentro. ¿Es correcto? Esta tecnología utiliza ondas de sonido de alta amplitud para mover menos objetos. de 1 mm de tamaño: levitando, moviéndolos hacia arriba y hacia abajo, de lado a lado y girando ellos ? Con nuestros sistemas actuales podemos manipular partículas que van desde 0.6 mm a 4 mm en diámetro. Y podemos controlar la posición y orientación de las partículas levitadas, por lo que es posible hacer que la partícula siga cualquier camino 3D.

Página 22 22 ¿Es esto correcto? Para mover los objetos, los investigadores usan las ondas de sonido para crear un "holograma acústico" que puede tomar la forma de un par de dedos o pinzas para levantar un objeto, un "vórtice" acústico que mantiene un objeto levitando en su lugar y una "jaula" que rodea un objeto y lo mantiene en su lugar ejerciendo sonido desde todas las direcciones ? Sí. Es posible crear otras formas, pero las formas mencionadas son óptimas para levitación en términos de las fuerzas de atrapamiento que ejercen sobre las partículas. Y se usaron 64 altavoces en miniatura para emitir los sonidos que crearon el sonido campos de fuerza ? Sí, estos altavoces en miniatura (1 cm de diámetro) se llaman transductores y básicamente están optimizados para una sola frecuencia (40Khz en nuestro caso). https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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¿Podría describir los objetos reales que logró manipular con el tractor? haz ? En la escena de la viga del tractor, utilizamos un cordón esférico (1.98 mm de diámetro) hecho de expandido poliestireno (29,36 kg por metro cuadrado, es decir, alrededor de 10 microgramos). La cuenta era arrastrado desde 4 cm de distancia. ¿Qué tipo de sonido usaste? ¿Qué tan fuerte era? ¿Qué tan grande es la matriz? Cómo cambiar la forma de los campos de fuerza para que manipulen los objetos ? Estábamos usando alrededor de 60 transductores ultrasónicos impulsados a 40Khz con 15Vpp. La corriente dibujado por todo el sistema fue 0.56A, es decir, 9 vatios de potencia (una bombilla tradicional consume 60W). Cada transductor creó niveles de presión de 120 ± 3 dB (medidos en el eje en az = 30 cm). Cada transductor tiene 1 cm de diámetro, por lo que una matriz de 8x8 (64 transductores) mide 8x8 cm. Para cambiar la forma del campo de fuerza, actualizamos en tiempo real el retardo de fase de las ondas emitido por cada transductor. Esto cambia los patrones de interferencia que es lo que finalmente crea el campo de fuerza tridimensional. Es como un holograma actualizable, ondas emitidas por un La superficie 2D interfiere entre sí para crear formas 3D; no usamos luz sino sonido (sonido y la luz ambos pueden comportarse como ondas). ¿Cuál es el objeto más grande que este tipo de técnica en teoría podría usarse para mover ? Estamos diseñando algunos experimentos que tienen como objetivo levitar una pelota de playa a 10 metros de distancia.

Página 23 23 Como se emplea actualmente, ¿cuál es el objeto más grande que se ha movido ? Una cuenta de poliestireno de 4 mm, el objeto más denso era un cubo (lado de 1 mm) de acrílico (1400 kg por metro cuadrado). Sin embargo, nuestros sistemas fueron diseñados para probar las estructuras acústicas como fácilmente como sea posible, eso no es peligroso ni engorroso de usar. Con alta especial transductores de potencia sería posible levitar incluso bolas de acero. Usted ha mencionado aplicaciones en la interacción hombre-computadora en forma de pantalla tangible compuesta por miles de partículas levitadas. Cuanto tiempo lo haremos tiene que esperar hasta esto y quién será el adoptante temprano ? Actualmente tenemos financiación para un proyecto llamado "Levitando átomos", creo que en dos años Los prototipos capaces de manipular unos pocos miles de partículas deberían estar funcionando. En el Al principio, las pantallas realizadas con esta tecnología se utilizarán solo con fines publicitarios dado el impacto y la memorabilidad que crean en el público. Como la resolución de la los sistemas progresan, la ventaja de soportar múltiples observadores de 3D dinámico La información será más evidente. Estas pantallas podrían usarse en medicina (por ejemplo, dispersión de un medicamento dentro del cuerpo o escáneres de resonancia magnética) o control de tráfico aéreo. Las vigas de los tractores han sido un elemento básico de la ciencia ficción durante décadas, ¿podría dar su ¿piensa en contribuir a hacer realidad un concepto de ciencia ficción tan genial ? https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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Parece que muchos de los conceptos emblemáticos de ciencia ficción se están haciendo realidad: la invisibilidad capas, patinetas levitando o vigas de tractor. Como dijiste, es poco a poco pero a veces señalan que incluso pueden superar la ficción. Sin embargo, nos gustaría destacar que nuestra investigación es más que un esfuerzo caprichoso por materializar un concepto de ciencia ficción. Hay útiles Solicitud de una viga tractora sónica. ¿Cuáles son tus momentos o usos favoritos de haz de tractor en ciencia ficción ? La viga del tractor StarTrek que está hecha con dos vigas que emergen de los lados de la nave. y coincidiendo con el objetivo, es sorprendentemente cercano al enfoque que estoy intentando ahora Alcance y poder crecientes. Además, no es exactamente un rayo tractor, pero realmente me gusta cuando El doctor Manhattan (de Watchmen) muestra su habilidad para manipular y ensamblar varios piezas sin contacto, especialmente porque está tratando de crear un reactor de fusión para resolver el Crisis energética inminente.

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Conclusión / Conclusiones Conclusión (inglés) Las contribuciones innovadoras de esta tesis son: • Un método de optimización que produce trampas óptimas en cualquier sistema. • Una clasificación de tres trampas acústicas ópticas de haz único que por primera vez habilite la levitación completa, la traducción y la rotación con matrices de un solo lado. Las trampas gemelas son completamente nuevas, las trampas Vortex solo han demostrado capacidades de levitación teóricamente y las trampas de botellas nunca se han sugerido para permitir la levitación. También, las trampas se pueden generar en diferentes posiciones y no se crearon explícitamente, surgió de un optimizador. • La introducción del marco de elementos acústicos holográficos que permite generar trampas directamente (sin una optimización iterativa) y analizarlas. También eso representa un puente con manipulación óptica.

Se pueden crear otros sistemas para diferentes longitudes de onda, medios (aire, agua o tejido), tamaño, potencia, número de transductores o configuraciones espaciales. En todos los casos, podrán beneficiarse de nuestros métodos y trampas acústicas. Esta tesis presenta un método para crear tres trampas óptimas con cualquier arreglo y en Posiciones diferentes. Además, el marco del elemento acústico holográfico es otro Contribución importante de nuestro trabajo que podría influir en el pensamiento en el campo. los La contribución de esta tesis no es solo un sistema; Es un método que funciona de manera óptima en cualquier sistema, y por primera vez, incluso en matrices de un solo lado. Las partículas levitadas podrían ser tan variadas como las aplicaciones de la levitación acústica. por Por ejemplo, la levitación de una microcápsula en sangre requeriría una pequeña longitud de onda pero no https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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Campos acústicos muy potentes. La clave es que una vez que el sistema ha sido diseñado para un aplicación específica (eligiendo el número de transductores, potencia, frecuencia o espacial acuerdo), entonces nuestro método puede usarse para generar trampas óptimas con él.

Página 25 25 Nuestro trabajo se establece en el punto medio entre lo microscópico y lo macroscópico. mundo. La posibilidad de adaptación a sistemas de diferentes tamaños y potencia es uno de los principales Ventajas de la levitación acústica. Nuestro método se puede utilizar en todos estos sistemas, en diferentes escalas de tamaño y potencia. Hasta ahora, solo las ondas estacionarias y los haces de Bessel han permitido levitación completa Esta tesis especifica cómo generar tres estructuras acústicas para la levitación. que nunca se han usado antes; Además, las estructuras se pueden generar con un solo arrays laterales y objetos rotativos. Se han explorado algunas aplicaciones que utilizan levitación acústica en el campo de la Humanidad. Interacción por computadora. En el artículo GhostTouch, la fuerza de radiación se usa para desplazar partículas que descansan sobre una superficie plana. Al hacer eso, es posible pintar de forma remota arena o en líquidos. En el documento LeviPath, se utiliza un sistema de levitación modular para mover partículas. en un espacio 3D para representar funciones o las trayectorias de objetos voladores. Finalmente, GauntLev es el papel más innovador en el uso de la levitación para HCI. El papel propone El primer uso de levitadores portátiles y las maniobras que se pueden realizar con ellos para manipular partículas sin contacto. Levitadores en forma de guantes, pinzas y un Se presenta un destornillador.

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Page 26 26 Conclusiones Las contribuciones pioneras de esta tesis son: • Un método de optimización que produce trampas óptimas en cualquier sistema. • Una clasificación de tres trampas acústicas óptimas de un solo haz que por primera vez permitimos levitación, traslación y rotación con dispositivos de una sola cara. Las trampas Twin son completamente nuevas, las trampas Vortex solo habían probado Capacidad de levitar teóricamente y las trampas Botella nunca se habían sugerido como candidatas para levitación. Además, estas trampas se pueden generar en diferentes posiciones y surgieron de un optimizador, es decir, no estaba explícitamente buscando este tipo de formaciones. • La introducción del marco Elementos Acústicos Holográficos permite generar directamente trampas (sin una optimización iterativa) y analizar mejor las trampas. Además, representa un nexo de entendimiento entre la manipulación acústica y la prácticas ópticas. Otros sistemas pueden ser creados para diferentes longitudes de onda, medios (aire, agua o tejidos), tamaño, potencia, número de transductores o ajustes espaciales; todos estos sistemas pueden beneficiarse de nuestros métodos y trampas acústicas. En esta tesis se presenta un método para crear tres trampas óptimas en diferentes posiciones y con cualquier tipo de dispositivo. El marco de Elementos Acústicos Holográficos es otra contribución importante de la tesis que podría influir en la forma de pensar tanto en el campo de óptica como de acústica. La contribución de esta tesis no es solo un sistema; es un método que funciona de manera óptima en cualquier sistema, y por primera vez, incluso en dispositivos de una sola cara. Las partículas que levitan pueden ser tan variadas como las aplicaciones de la levitación acústica Por ejemplo, la levitación de una micro cápsula en la sangre requeriría una longitud de onda pequeña pero los campos acústicos no necesitan ser muy potentes. La clave es que una vez que el sistema ha sido diseñado para una aplicación específica (elegiendo el número de transductores, potencia, frecuencia o disposición espacial), nuestro método se puede utilizar para generar trampas óptimas para esta.

Página 27 27 El trabajo se estableció en el punto medio entre lo microscópico y el mundo macroscópico. La posibilidad de adaptación a sistemas de diferentes tamaños y potencia es una de las principales ventajas de la levitación acústica. Hasta ahora, solo las ondas estacionarias y los https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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rayos Bessel permitían levitación completa. En esta tesis se especifica cómo generar tres estructuras acústicas que nunca se habían usado para la levitación. Además, se puede generar con dispositivos de una sola cara y pueden rotar objetos. Varias aplicaciones que usan levitación acústica han sido exploradas en el campo de la Interacción Persona-Ordenador. En el papel GhostTouch, la fuerza de la radiación se utiliza para desplazar las partículas que están sobre una superficie plana. De este modo es posible pintar de forma remota en arena o en líquidos. En el trabajo LeviPath, un sistema de levitación modular se utiliza para mover partículas en un espacio 3D para la representación de funciones o las trayectorias de objetos voladores. Por último, GauntLev es el trabajo más innovador en El uso de levitación para HCI. En el paper se propone el primer uso de levitadores llevables y las maniobras que se pueden realizar con ellos para manipular partículas sin contacto. Levitadores en forma de guantes, pinzas y destornilladores son específicos.

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Trabajo futuro En esta sección, he reunido algunas investigaciones relacionadas con el tema de la tesis que planeo conducta. El grado de desarrollo es variado: algunos puntos son solo ideas que he sido discutiendo con algunos colegas; otros son documentos en los que he colaborado y son sobre para ser publicado. Y algunas, son meras ideas que todavía estoy reflexionando; solo unos pocos tienen sentido e incluso menos se materializará. Pero creo que la capacidad o al menos el interés en La generación de nuevas ideas de investigación es la habilidad más importante que debe demostrar un doctorado. Amablemente, si tiene algún interés en alguno de ellos, hágamelo saber. Puedes contar conmigo para futuras colaboraciones, simplemente no las estafas. Si trabajamos juntos, haremos las cosas mejor https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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Y más rápido. Optimización no lineal en matrices por fases ultrasónicas Las matrices en fases permiten focalizar con precisión el sonido en diferentes ubicaciones sin necesidad de mecanismos. traduciendo el dispositivo. Además, se pueden crear varios puntos focales simultáneamente. Esto es de suma importancia para aplicaciones en medicina y pantallas táctiles. Sin embargo, hasta ahora los algoritmos para controlar las matrices se basaban en la optimización lineal. Aquí mostramos que los optimizadores no lineales como BFGS pueden funcionar mejor en la generación de varios focos puntos y proporcionan más versatilidad para construir la función objetivo. Primero, máximo, Las intensidades mínimas o específicas se pueden definir independientemente en cada punto sin necesidad de estipular las fases. En segundo lugar, el consumo de energía de la matriz puede ser controlado en la función objetivo. Y en tercer lugar, la intensidad puede especificarse no solo en puntos pero también en volúmenes, lo que permite, por ejemplo, minimizar la radiación en los órganos sensibles. Por Al introducir la optimización no lineal para el control de matrices por fases, allanamos el camino para más problemas complejos de optimización como distribuciones espaciales, materiales o tamaños de transductores Tormenta eléctrica: combina levitación acústica y electro-rotación La levitación acústica permite suspender objetos en el aire y traducirlos en 3D libre caminos. Esto representa una nueva oportunidad para crear visualizaciones físicas dinámicas sin Las restricciones de la gravedad o la actuación mecánica. Además, se pueden usar rejillas flotantes de partículas como superficies de proyección que cambian su posición y forma.

Página 29 29 Sin embargo, el ángulo de los objetos levitados nunca ha sido controlado, manipuladores acústicos tienen limitaciones significativas y solo se han generado pantallas móviles en forma de cruz. Aquí, mostramos un método para dotar a cualquier objeto con propiedades dieléctricas recubriéndolo con nanopolvo transparente. De este modo, un campo eléctrico generado con voltajes diseñados aplicado en electrodos transparentes puede controlar la orientación de los objetos que levitan. Además, presentamos un nuevo enfoque de optimización para crear puntos de levitación acústica en cualquier posición y movimiento de rejillas 2D de partículas. Los beneficios de combinar el campo eléctrico para rotación y el campo acústico para traslación se ejemplifican con dos escenarios. En primer lugar, los objetos levitantes ahora pueden adoptar cualquier posición 3D así como el ángulo para transmitir diferentes estados o información de rotación. En segundo lugar, rejillas de las partículas flotantes no necesitan recibir luz proyectada, pueden orientarse para mostrar faceta deseada; por lo tanto, reduce la fatiga ocular y mejora la legibilidad, el ángulo de visión y rango dinámico. Lentes acústicas holográficas Ahora es una práctica común crear lentes acústicos que pueden focalizar el sonido; son análogo en funcionamiento a las lentes ópticas. Es decir, debido a la diferencia de velocidad en En el medio, las fases se desplazan. Hasta ahora, muchas lentes acústicas han sido hechas de PMMA https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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o materiales que tienen una impedancia acústica similar al agua. Aquí, demostramos que aparte de enfoque, se pueden lograr otras modulaciones de fase para permitir la levitación acústica con uno transductores o incluso la creación de hologramas de presión para procesos hápticos o de estampación. Metamateriales de agujero de gusano Los metamateriales acústicos tienen importantes aplicaciones en sonar, ultrasonido médico o encubrimiento dispositivos ya que permiten dirigir, focalizar y desviar las ondas acústicas. La mayoría de los existentes Los metamateriales se pueden clasificar como estructuras laberínticas. Es decir, una pieza de material que contiene microcanales de diferentes longitudes en forma de tubos en zigzag, curvas o huecos esferas Las diferentes longitudes introducen cambios de fase que dan forma a las ondas que pasan el material. A pesar de su popularidad, las estructuras laberínticas presentan varias limitaciones. En primer lugar, debido a la La naturaleza curva de los conductos, las olas sufren una atenuación significativa. En segundo lugar, el foco

Página 30 30 se logra mediante un cambio de fase y, por lo tanto, la energía acústica aún se propaga. Y finalmente, todos los los conductos son locales, lo que significa que están contenidos en la misma posición lateral, por lo tanto El espacio disponible en el material es mal utilizado. Aquí, proponemos un nuevo tipo de metamateriales, Wormholes. En ellos, los conductos no son restringidos localmente pero pueden comenzar y terminar en cualquier posición. Esto genera un complejo estructuras de tubos enredados similares a las observadas en polímeros o proteínas de cadena larga. El diseño de los tubos debe minimizar su curvatura y maximizar el espacio ocupado. Por lo tanto, el diseño del metamaterial de agujero de gusano puede verse como un problema de optimización o como simulación física de tubos curvados. Más tarde, esta estructura se puede imprimir en 3D con FDM para la macroescala y con litografía de dos fotones para las aplicaciones de microescala. Esperamos que los metamateriales de Wormhole conduzcan a potentes haces de tractor para el manipulación de elementos macroscópicos o microscópicos, hologramas acústicos para hápticos sensaciones o estampados y las primeras lentes de aire de baja atenuación que mejorarían los sonares y otras formas de ecografía. Campos de fuerza acústica fantasma: multiplexación por debajo de la longitud de onda Las matrices en fases pueden focalizar y dirigir las ondas acústicas electrónicamente con una velocidad increíble y exactitud. Aquí, presentamos un método novedoso para multiplexar puntos focales en subperiódicos velocidades para hacer que la radiación resultante fuerce una superposición de los puntos multiplexados. Esta permite crear un campo de fuerza con fuerza y formas sin precedentes. Estos campos de fuerza pueden ser utilizado para restringir o proteger áreas. Por ejemplo, restringir una partícula desde todos los lados levitará, permitiendo la levitación de partículas más grandes que la longitud de onda. Otras aplicaciones futuras podrían estar limitando el petróleo derrames, droga entregada dentro del cuerpo humano o plasma caliente. Por otro lado, podría ser posible proteger un área de gases tóxicos o gotas de agua. https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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Domar los vórtices acústicos Se ha teorizado que las vigas de Bessel (también conocidas como vórtices) son las candidatas perfectas para el tractor vigas Es decir, un haz emitido desde un dispositivo de un solo lado que es capaz de ejercer tracción fuerzas hacia la fuente. Las trampas de vórtice surgieron de nuestro optimizador como una de las soluciones. Sin embargo, ese es solo el caso cuando la partícula levitada se considera como un punto sin

Page 31 31 volumen. Tanto experimentalmente como con modelos mejorados observamos que un Vortex es solo adecuado para atrapar pequeñas partículas. Las partículas que son más grandes que 1/3 de la longitud de onda comienzan orbitar hasta ser expulsado, haciendo que la trampa no sea práctica. Caracterizamos la órbita y la estabilidad de una partícula dentro de un vórtice y los métodos actuales. para hacer el vórtice estable. Además, la transferencia de momento angular orbital (OAM) puede ser controlado para rotar a la velocidad deseada incluso partículas simétricas. El principio básico para controlar la transferencia de OAM y hacer que el vórtice sea estable es cambiar su dirección con microsegundos de precisión. Bloqueo completo Hemos introducido la trampa Twin, una viga única que puede contener completamente una partícula en el deseado posición, muévalo y también gire las partículas asimétricas. Sin embargo, las partículas pueden ser giran con solo un grado de libertad y todavía giran sin control en un eje. Ese es decir, la trampa Twin bloquea la partícula con 3Dof en traslación pero solo con 2Dof en rotación. Presentamos la trampa Quad, una modificación de la trampa Twin que parece cuatro cilindros de Alta intensidad. Una partícula con forma de cruz puede quedar atrapada dentro del cilindro y quedar completamente bloqueado. Ahora, con un bloqueo completo en posición y rotación, es posible expandir nuestra manipulación capacidades. Por ejemplo, las partículas atrapadas se pueden usar para coser o retorcer los elementos son ADN, cadenas de polímeros o hilos de sutura. Este método también funciona en atrapamiento óptico y nunca ha sido reportado. Gemelos de pie y vórtices de pie Hasta esta tesis, solo las ondas estacionarias podían crear atrapamiento completo (es decir, bloquear en tres dimensiones). Introdujimos las trampas Twin, Vortex y Bottle; estas trampas son de un solo haz, Las trampas gemelas pueden rotar las partículas de forma controlable y las trampas Vortex pueden centrifugar partículas a muy altas velocidades. Sin embargo, todavía tienen una fuerza de atrapamiento transversal limitada en comparación con las ondas estacionarias. Una trampa de botella es 7 veces más débil en la dirección de propagación que una onda estacionaria y Las trampas gemelas o de vórtice son 30 veces más débiles que la onda estacionaria.

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Página 32 32 Presentamos los gemelos de pie y los vórtices de pie que todavía requieren dos opuestos matrices que se generarán pero proporcionan fuerzas transversales comparables a las ondas estacionarias mientras conservando la capacidad de rotar o centrifugar de forma controlable las partículas levitadas. Adicionalmente, Estas nuevas estructuras acústicas pueden atrapar varias partículas entre las dos matrices opuestas; a saber, una partícula cada mitad de la longitud de onda. Es decir, estas estructuras acústicas tienen fuertes fuerzas transversales capaces de levitar fuertes objetos y también puede orientarlos. Mostramos aplicaciones en impresión 3D con un levitado cabezal de impresión o cosido en diferentes materiales. Puntos focales huecos Las botellas acústicas surgieron de nuestro optimizador como uno de los mecanismos óptimos de levitación. De todas las trampas de un solo haz, las trampas de botella ejercen las fuerzas transversales más fuertes. Otro los documentos habían descrito las vigas de botella como vigas de Airy con simetría axial. Aquí, demostramos que la viga de botella tiene una interpretación más simple. Son puntos focales huecos; es decir, una matriz de pequeña apertura focalizada en el mismo punto que una matriz de gran apertura con un pidiferencia de fase. La matriz de apertura pequeña crea un punto focal amplio y la apertura grande uno un punto focal más nítido. Debido a la diferencia de fase, el punto focal más nítido hace que punto focal una botella hueca. Siguiendo esta interpretación, es posible generar vigas de botella de diferentes tamaños que permitir levitar objetos más pesados y más grandes. Rayo de abducción Un rayo tractor es capaz de agarrar una partícula que flota a la deriva y tirar de ella hacia el fuente. Sin embargo, la mayoría de las partículas no flotan en el aire sino que descansan sobre una superficie. En En esta tesis, hemos demostrado que las partículas quedan atrapadas cuando flotan en el aire o descansan en materiales acústicamente absorbentes o transparentes; pero capturando partículas que descansan sobre Una superficie reflectante (por ejemplo, una placa de Petri, una mesa o roca marina) permanece como un problema abierto. No existe un enfoque para recoger una partícula de una superficie reflectante sin contacto. UNA La superficie reflectante altera el campo acústico y hace que las trampas no funcionen. Una ola estacionaria se forma entre un emisor y la superficie reflectante pero el nodo siempre está en el mismo

Page 33 33 posición independiente de la posición del emisor. Es decir, es fácil levantar la partícula del superficie al primer nodo pero no hay forma de elevarlo más. https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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Llamamos "rayo de abducción" a los mecanismos capaces de extraer partículas que descansan sobre un reflector superficie. Aquí, presentamos la primera realización de un rayo de abducción. El mecanismo principal es basado en la creación de una onda estacionaria utilizando la superficie como reflector y cambiando la frecuencia del emisor para elevar la partícula hasta el siguiente nodo. Luego, volviendo al original frecuencia y repitiendo el proceso. Para focalizar la energía acústica, una lente acústica ser utilizado en agua y un espejo acústico en aire. Guías de ondas acústicas inducidas en el aire con láser Una de las armas futuristas que se han realizado es el Electrolaser. En esto arma, se dispara un láser de alta intensidad para crear un canal iónico a lo largo de su camino. Luego, microsegundos después, se dispara una corriente de alto voltaje y viaja a través del iónico canal. De este modo, es posible transferir alto voltaje en el aire sin la necesidad de Cualquier alambre o cable. Proponemos utilizar el mismo principio para crear una guía de onda acústica en el aire. En primer lugar, un Se dispara el láser y calienta el aire. Entonces o mientras tanto, las ondas acústicas se transmiten a través de Este canal de aire caliente que, debido a la diferencia de velocidad entre el aire caliente y el frío, actúa como un guía de ondas Esta puede ser una forma de transferir energía mecánica entre largas distancias. Átomos levitantes Hasta ahora hemos levitado un par de objetos, pero nunca se ha estudiado en profundidad cómo controlar múltiples objetos de forma independiente. Proponemos emplear levitación acústica para crear Formas físicas 3D dinámicas hechas de numerosos objetos levitantes ligeros. Cientos de los vóxeles levitantes podrán formar diferentes objetos 3D que se pueden tocar y ver desde cualquier ángulo A medida que avanzamos hacia interacciones sin contacto (por ejemplo, Kinect, Leap Motion o sobre la superficie) tableros de mesa), la falta de fisicalidad se convierte en un problema emergente que dificulta al usuario experiencia. El usuario no tiene un controlador tangible y la interacción es indirecta, lo que significa que La retroalimentación visual y el espacio de interacción no están en la misma ubicación. Esto crea un gran desconexión cognitiva En este futuro proyecto, los usuarios podrían tocar e interactuar con los objetos.

34 34 que están compuestos por cientos de átomos levitantes como lo harían con objetos en la vida real pero con la versatilidad de controlar computacionalmente la forma y apariencia de la mitad objetos aéreos. Levitación in vivo El sonido no puede propagarse a través del vacío del espacio; sin embargo, puede viajar a través del agua y Más importante, a través del tejido humano. De hecho, el sonido que viaja a través de la carne humana sufre menos atenuación que a través del aire. Sostener y manipular de manera controlable las partículas dentro del cuerpo humano permitiría nuevas procedimientos médicos con muchas aplicaciones potenciales. Por ejemplo, un levitador externo https://translate.googleusercontent.com/translate_f

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podría usarse para mover partículas dentro de los riñones, los ojos, los pulmones o las venas. Las partículas podrían ser entidades nocivas como cálculos renales y coágulos; o partículas insertadas deliberadamente como instrumentos microquirúrgicos controlados desde el exterior sin ninguna incisión o cápsulas de medicamentos que se encuentran en el área de interés en escenarios de entrega de medicamentos específicos.

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