Zweven in geluid

Geluidsgolven kunnen objecten optillen en ze van positie en stand laten veranderen. Tot voor kort was dit vooral een ­geinig trucje dat je met de juiste apparatuur kon uithalen. Maar zulke ‘sonische trekstralen’ blijken plots verrassend nuttig, bijvoorbeeld voor de precieze toediening van geneesmiddelen en de assemblage van in de lucht zwevende computerchips.

Het ruimteschip zet zijn warpdrive uit en komt op gelijke hoogte met dat van de vijand. De onderschepte beschaving ziet er niet bijster vriendelijk uit en lijkt haar wapensystemen te activeren. De gezagvoerder geeft het bevel er als de bliksem vandoor te gaan. Maar hé, wat krijgen we nou? Onze helden blijken gevangen te zitten in een trekstraal! Langzaam maar zeker worden ze naar hun ondergang gehengeld.

Het is een tafereel als in een science-fictionfilm. Maar één deel van de scène is meer science dan fiction. Trekstralen zijn namelijk werkelijkheid aan het worden. Voorwerpen laten zweven, of leviteren, kunnen we al heel lang. Het enige dat je ervoor nodig hebt is een ventilator die groot genoeg is. Maar tegenwoordig kunnen we apparaten bouwen die veel verder gaan en voorwerpen kunnen laten zweven, en ze razendsnel en precies van stand en positie kunnen laten veranderen.

Dit is meer dan een aardig kunstje. Trekstralen werken als onzichtbare robotarmen waarmee je gevoelig materiaal – denk aan levende cellen en elektronicaonderdelen – kunt verplaatsen, scheiden en zuiveren. Ze zouden ook de basis kunnen vormen van contactloze fabricageprocessen die de kans op besmetting of beschadiging nagenoeg uitsluiten. En we zouden ze kunnen gebruiken voor een nieuw soort hologrammen.

De spectaculairste toepassing van allemaal gaat niet om het bewegen van voorwerpen door de lucht, maar door levend weefsel. We zouden piepkleine camera’s door iemand heen kunnen leiden, voorwerpen uit een lichaam kunnen verwijderen en misschien zelfs kleine machientjes in mensen in elkaar kunnen zetten, allemaal zonder dat er een scalpel aan te pas komt. Met trekstralen kun je misschien geen ruimteschip strikken, ze blijken wel ongelooflijk nuttig.

Met haptische technologie en gebaarherkenning kun je machines op afstand bedienen

Haptische technologie

Het idee dat voorwerpen in de lucht kunnen zweven fascineert mensen al tientallen jaren. In 1933 gebruikten twee Poolse wetenschappers een trillend kwartskristal om een staande geluidsgolf op te wekken, waarvan de pieken en dalen in dezelfde positie bleven. Daardoor ontstonden gebiedjes met een lage druk in de lege ruimte, en de twee ontdekten dat je daarin alcoholdruppeltjes de zwaartekracht kon laten trotseren. Indrukwekkend, maar zonder veel praktisch nut. Je kon een voorwerp namelijk niet verplaatsen én het was bijna geheel omgeven door kristalluidsprekers.

Later was er het beruchte incident met de zwevende kikker. In 1997 ontdekten natuurkundige Andre Geim en wis- en natuurkundige Michael Berry, destijds allebei verbonden aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk, dat je bepaalde soorten moleculen, waaronder die van water, kunt afstoten met een zwaar magnetisch veld. Ze gebruikten magneten om verschillende voorwerpen te laten zweven, waaronder een kikker, die zoals de meeste dieren bijna geheel uit water bestaat. De magneten moesten echter extreem krachtig zijn en de methode werkte niet voor elk materiaal.

De oorsprong van de precisietrekstraal die momenteel opgang maakt, is terug te voeren tot ongeveer 2010, toen hoogleraar informatica Sriram Subramanian en hoogleraar ultrasoon geluid Bruce Drinkwater een werkkamer hadden op de Universiteit van Bristol die op dezelfde gang uitkwam. Ze maakten een opstelling met ultrasone luidsprekers, van het soort dat je ook in de parkeersensoren van auto’s vindt, om daarmee ‘haptische technologie’ te creëren. Dat wil zeggen: het opwekken van luchtdruk­patronen die mensen kunnen voelen. Denk aan de sensatie van een on­zichtbare vinger die een rondje over je hand trekt, of van een golf die over je vingers rolt.

Haptische mogelijkheden zijn op zich­-zelf al handig, maar in combinatie met gebaarherkenning kun je er bijvoorbeeld op afstand machines mee bedienen. Subramanian, die tegenwoordig aan het University College Londen werkt, richtte onlangs een bedrijf op, Ultraleap, om deze technologie verder te ontwikkelen. Als automobilisten technische snufjes kunnen bedienen zonder ze te hoeven aanraken, dan kunnen ze hun ogen beter op de weg houden en wordt rijden veiliger. Haptische bedienings­systemen voor kaartjesmachines of om zelf uit te checken zijn andere slimme toepassingen. ‘Tegenwoordig is iedereen met hygiëne bezig’, zegt Subramanian.

Volumetrische displays

Subramanian en Drinkwater vroegen zich af of ze geluidsgolven konden gebruiken om voorwerpen te laten zweven en te verplaatsen. Het begon als spielerei. Het leek Drinkwater grappig om een gelikte presentatie te maken die de show zou stelen op de open dagen van de universiteit. Maar de onderzoekers kwamen er al snel achter dat er veel meer mogelijk was dan een eenvoudige staande golf. Met hun speakerpanelen konden ze ingewikkelde driedimensionale geluidssculpturen maken. Ze konden de apparatuur bovendien zo programmeren dat ze die sculpturen konden aanpassen. Daarmee konden ze voorwerpen – piepschuimballetjes of vloeistofdruppeltjes – op punten met lage druk vasthouden en ze laten rondzweven. Ze maakten een ‘akoestisch pincet’, dat bestaat uit twee vingerachtige geluidsprojecties die een balletje kunnen vasthouden en verplaatsen. Daarna maakten ze een draaikolk van geluid, een ‘geluidskolk’, waarmee ze balletjes konden laten ronddraaien. Ze kregen het zelfs voor elkaar om meerdere lagedrukpunten te maken, zodat ze tegelijkertijd verschillende voorwerpen konden laten zweven.

Drinkwater vond het grappig om zijn speeltje aan het publiek te tonen, maar vroeg zich af of het niet veel meer was dan een geinig trucje. Eén beperking van de speakeropstelling was dat zich niets tussen de speakers en het zwevende voorwerp mocht bevinden. In 2018 kwam Subramanian met een oplossing. De sleutel was het gebruiken van akoestische metamaterialen: materialen met sonische eigenschappen die je niet in de natuur aantreft. Met een 3D-printer maakte hij zestien speciaal ontworpen plastic bouwstenen met een inwendige structuur die geluid op een ­spe­cifieke manier weerkaatst. Hij gebruikte de bouwstenen vervolgens om geluid om een voorwerp heen te buigen. Subramanian demonstreerde de techniek door geluidsgolven rond een figuurtje met een honkbalknuppel in zijn hand te laten krommen en er een balletje boven zijn hoofd mee van links naar rechts en van boven naar beneden te bewegen.

Maar hoe zouden ze die akoestische toverkunst nuttig kunnen gebruiken? Een van de eerste ideeën behelsde het maken van ‘volumetrische displays’. Dat zijn van die zwevende 3D-beelden die je in sciencefictionfilms ziet opgloeien op het dashboard van ruimteschepen. Drinkwater en zijn team lieten een piepschuimballetje zo snel door de lucht bewegen dat het een figuur leek te vormen, een beetje zoals je in het donker met een bewegend sterretje een patroon trekt. Ze konden het balletje ook met licht beschijnen en zo van kleur laten veranderen. Bij een ander experiment gebruikte Subramanian twee parallelle luidsprekeropstellingen om een balletje rond te laten razen met snelheden tot wel 32 kilometer per uur. In 2019 liet hij zien dat dat snel genoeg is om eenvoudige grafische voorstellingen te maken, zoals smileys en aftellende cijfers.

Onzichtbare centrifuge

Tegenwoordig denken andere onderzoekers aan veel ambitieuzere toepassingen van trekstralen. Informaticus Asier Marzo van de Openbare Universiteit van Navarra in Spanje denkt dat ze ook zijn te gebruiken voor contactloze fabricage in de elektronicasector, de farmaceutische industrie en de biomedische wetenschappen, waar onderdelen gemakkelijk kapotgaan of besmet raken.

Marzo, die eerder met Drinkwater samenwerkte, publiceerde een hand­leiding waarmee je zelf voor nog geen 200 euro een akoestische trekstraal kunt bouwen. Hij experimenteert met klevende balletjes en staafjes, die hij laat ­zweven en tot eenvoudige constructies samenvoegt. Hij hoopt dat wetenschappers uit allerlei vakgebieden gaan onderzoeken hoe ze de techniek kunnen toepassen. ‘Ik wil het systeem openbaar maken, zodat iedereen het kan namaken’, zegt hij. ‘Ik weet zeker dat er goede ideeën uit zullen voortkomen.’

Het zal altijd lastig blijven om met akoestische trekstralen grote, zware voorwerpen op te tillen. Maar dat deert niet. Hun nut zit hem in juist in het laten ­zweven van kleine en lichte dingen, zoals cellen en stukjes levend weefsel.

We beschikken al wel over manieren om zulke materialen te manipuleren, maar die hebben tekortkomingen. Neem de centrifuges die worden gebruikt om verschillende componenten van vloeistoffen zoals bloed van elkaar te scheiden. Die kun je gebruiken voor het puurder maken van zulke vloeistoffen, waardoor je levend weefsel makkelijker kunt analyseren en makkelijker tests kunt uitvoeren, maar ze hebben enorm veel moeite met de kleinste componenten die erin zitten. Universiteitshoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde Tony Jun Huang van de Duke-­universiteit in de Amerikaanse staat North Carolina vroeg zich daarom af of een onzichtbare centrifuge geen goed idee zou zijn.

Huang was vooral geïnteresseerd in het isoleren van exosomen, pakketjes eiwitten en DNA die cellen vrijgeven aan hun omgeving. Onderzoekers denken dat exosomen nuttige diagnostische biomarkers kunnen zijn van ziekten zoals kanker en Alzheimer. Ze zijn echter zo klein dat je ze met een centrifuge maar lastig kunt scheiden. In 2020 maakte Huang een geluidskolk die vloeistofdruppeltjes kon vast­houden en laten ronddraaien. Door de geluidsfrequentie te variëren kon hij met zijn team de omvang van de nanodeeltjes in de kolk manipuleren. Vervolgens lieten de onderzoekers zien dat hun akoestische centrifuge exosomen kon isoleren uit bloedmonsters van muizen. Met een ­conventionele centrifuge zou dat proces ongeveer acht uur duren, aldus Huang. ‘Maar nu, door geluid te gebruiken, kunnen we het binnen één minuut.’

Microbelletjes

Akoestische trekstralen zouden zelfs kunnen worden ingezet om voorwerpen door levend weefsel te manoeuvreren. In 2020 liet ingenieur Michael Bailey met enkele collega’s van de Universiteit van Washington in de Verenigde Staten zien dat dat in principe mogelijk is. Met akoestische trekstralen zoals die van Drinkwater en Subramanian verplaatsten de onderzoekers ­glazen kraaltjes met een doorsnede van 3 millimeter in de blaas van een verdoofd varken. Door kolkvormige geluidsstralen te gebruiken, opgewekt door een luidsprekeropstelling buiten het varken, konden ze de bolletjes een complexe driedimensionale baan laten volgen, bijvoorbeeld een acht of een cirkel.

Bailey werkt ook samen met medici van enkele Amerikaanse ziekenhuizen aan een klinisch onderzoek waarmee ze willen vaststellen of ze geluid kunnen gebruiken om nierstenen te verwijderen. Het is nu al heel gewoon om nierstenen met ultrasoon geluid te vergruizen, maar er kunnen altijd stukjes achterblijven. Bailey wil die stukjes opnieuw met geluid bestoken, maar nu om ze in zo’n positie te manoeuvreren dat ze via natuurlijke weg door de nieren worden afgescheiden. De onderzoekers houden het proces in de gaten met reguliete echografie. ‘De steentjes maken een sprongetje van ongeveer een centimeter’, zegt Bailey. ‘Vaak reageren mensen verbaasd als ze dat zien.’ Het plan is om akoestische trekstralen op de lange termijn te gebruiken om restjes met nog grotere beheersing te verwijderen. Een groot deel van Baileys werk wordt gefinancierd door NASA. De ruimteorganisatie beschouwt nierstenen als een ernstig gezondheidsrisico voor astronauten, vooral op toekomstige reizen diep de ruimte in en naar andere planeten. Met trekstralen zou het mogelijk moeten zijn om nog veel meer voorwerpen door het menselijk lichaam te bewegen.

Neem zogeheten microbelletjes, bolletjes van ­vetachtige moleculen. Daar zou je een geneesmiddel in kunnen stoppen, waarna je ze injecteert en met een trekstraal naar een bepaald deel van het lichaam dirigeert, waarna je ze met een stoot van ultrasoon geluid uit elkaar laat spatten. Dat zou ­bijvoorbeeld een goede manier zijn om chemotherapie toe te dienen. Reguliere chemotherapie brengt namelijk het risico met zich mee dat je gezond weefsel beschadigt. Dit idee heeft de interesse gewekt van werktuigbouwkundige Diego Baresch van de Universiteit van Bordeaux in Frankrijk. In 2020 sloeg hij aan het experimenteren met een proefopstelling van menselijk weefsel en microbelletjes vol nanodeeltjes. Samen met vloeistofmechanicus Valeria Garbin van het Imperial ­College Londen toonde Baresch aan dat het mogelijk was om de belletjes met een akoestisch pincet vast te pakken, ze in complexe patronen te laten bewegen en ze op commando te laten openbarsten.

Zingende hoofden

Ook biomedisch ingenieur Yi-Ju Ho van de Chung Yuan-universiteit in Taiwan, onderzoekt hoe je microbelletjes zou kunnen gebruiken in de geneeskunde. Volgens haar kun je er bijvoorbeeld zuurstof mee vrijgeven in de buurt van tumoren, wat de effectiviteit van kankerbehandelingen kan vergroten. En het idee van Baresch om microbelletjes met een trekstraal te verplaatsen zou volgens haar kunnen voor­komen dat het lichaam in zijn geheel vergiftigd raakt. Daarnaast zou het de bijwerkingen kunnen verminderen die optreden bij behandelingen waarbij gassen worden toegediend.

Iets vergelijkbaars zouden we kunnen doen met camera’s. Het wordt steeds normaler om patiënten camera’s ter grootte van een pil te laten inslikken om hun spijsverteringskanaal te onderzoeken. De nationale gezondheidsdienst van het Verenigd Koninkrijk, de National Health Service, gaat een proef met die techniek doen om 11.000 patiënten die deelnemen aan een darmkankeronderzoek te screenen. Je kunt de positie van zo’n camera normaliter echter niet beïnvloeden nadat de patiënt die heeft ingeslikt. ‘Je wilt hem misschien even laten blijven waar hij is, een kwartslag laten draaien of een stukje terug laten gaan als je iets beter wilt bekijken of denkt dat je iets over het hoofd hebt gezien’, zegt Bailey. Hij denkt dat een akoestische trekstraal het ideale hulpmiddel zou zijn. ‘Er is veel ruimte voor een verfijndere manier van werken. Nu is het een kwestie van een kruisje slaan en hopen dat zo’n ding alles heeft vastgelegd wanneer het er weer uitkomt.’

Subramanian, die de hele handel van akoestische trekstralen mede in gang heeft gezet, is ondertussen nog meer potentiële toepassingen aan het bedenken. Met de Centrale Academie voor Schone Kunsten in het Chinese Sjanghai werkt hij aan een nogal eigenzinnig kunstproject: een reeks akoestische displays die een selectie ­pratende en zingende hoofden laten zien. Want hoe enthousiast Subramanian ook is over de wetenschappelijke toepassingen van sonische trekstralen, hij mag er nog steeds ook graag een beetje lol mee maken.

Dit artikel is verschenen in New Scientist 96. Deze editie vind je in ons digitaal archief.