Ce schéma illustre comment des profils de surface sur mesure peuvent créer des champs acoustiques à motifs générés optiquement en 3D. Crédit :Brown et al.
Les limites des technologies de réseau piézoélectrique classiquement utilisées pour les ultrasons ont inspiré un groupe de chercheurs de l'University College de Londres à explorer un mécanisme alternatif pour générer des ultrasons via la lumière, également connu sous le nom d'effet photoacoustique. Couplé à l'impression 3D, le groupe a pu générer des champs sonores avec des formes spécifiques pour une utilisation potentielle dans la manipulation cellulaire biologique et l'administration de médicaments.
Les matériaux piézoélectriques génèrent une contrainte mécanique en réponse à un champ électrique appliqué, résultant en une force utilisable et contrôlable avec précision qui peut, par exemple, être utilisé pour créer des ondes sonores. Mais la réalisation de cette commande avec des réseaux piézoélectriques classiques nécessite à la fois une électronique compliquée et un grand nombre de composants individuels extrêmement petits qui sont coûteux et difficiles à fabriquer.
L'effet photoacoustique, en revanche, se produit lorsqu'une courte impulsion ou une source de lumière modulée est absorbée par un matériau, produire une onde sonore. Comme le rapporte le groupe dans le Lettres de physique appliquée , leurs travaux portent sur l'utilisation de l'effet photoacoustique pour contrôler les champs ultrasonores en 3D.
"Une caractéristique utile de l'effet photoacoustique est que la forme initiale du son généré est déterminée [par] l'endroit où la lumière est absorbée, " a déclaré Michael Brown, doctorant au Biomedical Ultrasound Group du Département de physique médicale et de génie biomédical de l'University College London. « Cela peut être utilisé pour créer des points sonores intenses étroitement concentrés simplement en déposant un absorbeur optique sur une surface concave, qui agit comme une lentille."
Plus généralement, il est possible de fabriquer des échantillons avec presque n'importe quelle forme de surface en utilisant une imprimante 3D et un matériau transparent.
"En déposant un absorbeur optique sur cette surface, qui peut être fait par pulvérisation de peinture, une onde sonore de presque n'importe quelle forme peut être créée en éclairant cet échantillon avec un laser, " a déclaré Brown. " Si vous adaptez soigneusement la conception de la surface et donc la forme de l'onde acoustique, il est possible de contrôler où le champ sonore se concentrera et même de créer des champs concentrés sur des formes continues. Nous utilisons des lettres et des chiffres."
Ceci est particulièrement important car, en théorie, la capacité de contrôler la forme du front d'onde - la surface sur laquelle l'onde sonore a une phase constante, un peu comme le bord de l'onde—permet un grand degré de contrôle sur le champ résultant.
Un échantillon fabriqué avant le dépôt de l'absorbeur. Crédit :Brown et al.
"Mais en réalité, la conception d'un front d'onde qui génère un motif souhaité devient plus difficile à mesure que la complexité de la cible augmente, " a déclaré Brown. " Un " meilleur " design clair n'est disponible que pour quelques cas sélectionnés, telles que la génération d'un seul objectif."
Pour surmonter cette limite, le groupe "a développé un algorithme qui permet aux utilisateurs de saisir un champ sonore souhaité en 3-D, et il sort ensuite un profil de surface imprimable en 3D qui génère ce champ, " a déclaré Brown. "Notre algorithme permet un contrôle précis de l'intensité du son à différents endroits et l'heure à laquelle le son arrive, ce qui permet de concevoir rapidement et facilement des surfaces ou des « lentilles » pour une application souhaitée. »
Brown et ses collègues ont démontré l'efficacité de leur algorithme en créant une lentille conçue pour générer un champ sonore en forme de chiffre 7. Après avoir illuminé la lentille par un laser pulsé, ils ont enregistré le champ sonore et le "7" souhaité était clairement visible avec un contraste élevé.
"C'était la première démonstration de génération d'une distribution multifocale du son en utilisant cette approche, ", a déclaré Brown.
Les utilisations potentielles des profils optoacoustiques sur mesure créés par le groupe sont nombreuses. "Un son très intense peut provoquer un échauffement ou exercer des forces sur des objets, comme dans les pincettes acoustiques, " a déclaré Brown. " Et des dispositifs à foyer unique similaires sont déjà utilisés pour le clivage d'amas cellulaires et l'administration ciblée de médicaments, notre travail pourrait donc être utile dans ce domaine."
Le groupe s'intéresse également aux effets de la propagation à travers les tissus, qui introduit des distorsions dans la forme des fronts d'onde causées par les variations de la vitesse du son. « Si la structure du tissu est connue au préalable par imagerie, notre approche peut être utilisée pour corriger ces aberrations, " a déclaré Brown. " Manipuler la forme et le temps pendant lesquels le son focalisé est généré peut également être utile pour la manœuvre et le contrôle des cellules biologiques et autres particules. "
Aller de l'avant, Brown et son groupe espèrent étudier l'utilisation d'autres sources lumineuses et les avantages qu'elles pourraient offrir.
"Une limitation de notre travail était l'utilisation d'un laser à impulsion unique, " a déclaré Brown. " Cela signifiait que la forme temporelle du son généré à partir de l'échantillon n'était qu'une courte impulsion, ce qui a limité la complexité des champs pouvant être générés. À l'avenir, nous sommes intéressés par l'utilisation de sources optiques modulées alternatives pour illuminer ces appareils."
