Využití akustických přístrojů je limitováno tím, že mají k dispozici rovinnou nebo radiální akustickou vlnu, kterou nejčastěji generují kmity kovové membrány přiléhající k ploché nebo na válci umístěné cívce. Takové vlny je obtížné soustředit do jednoho místa a přenést tam větší množství energie. Nyní vědci přicházejí se zařízením, které nazvali nelineární akustická čočka. Jde o kvantitativně novou cestu generování pulsů o vysoké energii.

Zvětšit obrázek

Nelineární akustická čočka. Jde o prototyp sestavený z jednadvaceti řetězců, každý z nich je tvořen 21 kovovými kuličkami. Ty fungují jako modulační komponenty. Zařízení má být schopno produkovat jednotlivé vlny (vlevo nahoře), série izolovaných vln (nahoře uprostřed) a nebo vlnové rázy - šoky (vpravo nahoře). Změnou charakteristiky čočky (stlačováním řetězce kuliček)lze měnit rychlost probíhající zvukové vlny a také ohnisko – místo vzniku “zvukových střel”. (Kredit: Alessandro Spadoni a Chiara Daraio)

Princip i vzezření přístroje tak trochu připomíná fyzikální hračku z šedesátých let  „Newtonovo kyvadlo“ - řadu kuliček upevněných na niti, které se vzájemně dotýkají. Když jednu vychýlíme a necháme ji na druhé dopadnout, fyzikální zákony zachování energie a hybnosti vykonají své a  poslední kulička vyletí do výšky. Řetězce Spadoniho čočky jsou jakousi prodlouženou verzí takového kyvadélka. V čočce jsou generovány pulzy v každém z řetězců. Každý z nich je vlastně nejjednodušším representantem akustického vlnovodiče, který využívá vzájemných kontaktů a to jak k ovlivnění tvaru šířícího se signálu, tak ke změně rychlosti jeho šíření.
Základem prvního zkušebního exempláře čočky pro soustředění zvukových vln jsou paralelní řetězce ocelových kuliček. Každý z řetězců je tvořen  jedenadvaceti kuličkami o průměru 9,5 milimetrů. A aby se to nepletlo, řetězců na stávajícím prototypu je také 21. Zařízení je z nerez kuliček, což v budoucnu ale nemusí být pravda. Základní součástky je totiž možné vyrábět  teoreticky z jakékoliv látky - kovu, skla, plastů. Dokonce ani tvar kuliček nemusí být striktně kulovitý. Podmínkou je, aby se jednalo o materiál pro zvukové vlny pružný, který je nebude tlumit.

Zvětšit obrázek

Autorka článku Chiara Daraio komentuje práci skromně: „Jen jsme použili stlačení zvuku pro každý řetězec kuliček zvlášť.“

Přístrojem údajně lze generovat vlny, kterým se říká „solitérní“, nebo také „izolované“. Mají zcela jiný charakter, než vlny, které známe z házení kamenů do rybníka. V tomto případě jde o vlny, jak už z jejich názvu vyplývá, se mohou vyskytovat samotářsky a ke svému šíření nepotřebují ani to, aby je někdo předcházel, ani následoval.  Tyto vlny si v daném prostředí zachovávají stejnou vlnovou délku a v akustické čočce prakticky nepřicházejí ani o svou vysokou amplitudu a dokonce se průchodem čočkou nemusí ani „pokřivit“.

Základem přístroje je sada řetězců kuliček, do nichž zvukové vlny na jedné straně vstupují, na druhé vystupují. To, jak jsou kuličky na sebe natlačeny (fáze „první komprese“), rozhodne o rychlosti solitérní vlny, která čočkou bude procházet. Poté, co série takových izolovaných vln opustí pole (polem je míněna celá sada samostatných kuličkových vlnovodů), setkají se v určitém bodu – ohnisku. Posun ohniska lze upravit zvětšením, nebo zmenšením mezer mezi kuličkami. I když vstupní vlny mohou do čočky přicházet ze vzduchu, nasměrovat jejich výstup lze i do kapaliny, nebo pevné látky. V místě střetu izolovaných vln vzniká to, čemu vědci říkají střela (kulka). Jde o vysoce kompaktní akustické vlny o vysoké amplitudě. Pro akustické čočky není problém „střílet“ v rychlé kadenci a právě od toho si technici hodně slibují.

Nynější pokusy jsou zatím jen s dvourozměrným přístrojem – žádná z řad kuliček nijak nesouvisí s řadou sousední.  Vědci již ale pracují na trojrozměrném systému. Údajně by jeho sestrojení nemělo být velkým problémem. Další generace čoček by měla umožňovat pracovat se zvukovými vysoce energetickými pulsy ve 3D prostoru a měnit sektor palby by také mělo jít hladce a rychle, protože ke změně místa účinku (dopadu), stačí změnit tlak na kuličky.

Zvětšit obrázek

Analytická kalkulace jednotlivých fází vzniku zvukové střely.

Ten, kdo z nás již dostal příležitost se v nemocnici setkat s vyšetřením používajícím ultrazvuk ví,  že aby bylo na obrazovce něco vidět, je potřeba „zaostřovat“ a detekční skener posouvat podle toho, kde se daný orgán nachází. Pokud by takový přístroj byl vybaven nově vyvinutým systém akustických čoček, přesouvání detekční sondy po břichu pacienta by odpadlo. Zaostřování by se mohlo dít automaticky změnou charakteristiky vln, které by procházely jednotlivými řetězci akustické čočky.

Zatím je vše poněkud „humpolácké“, nastavování fokusace je komplikované, takže k okamžitému použití v praxi je zveřejněný prototyp nepoužitelný. Než se akustické čočky dostanou do běžného použití, muže ještě trvat několik let. Přesto již někteří odborníci na akustiku soudí, že tímto okamžikem již zastaraly všechny vyšetřovací přístroje na bázi ultrazvuku a to proto, že potenciál novátorského řešení pomocí akustických čoček bude dovolovat mnohem ostřejší obraz a větší rozlišení. Využití by mělo být široké, mělo by se dotknout nových typů neinvazivních skalpelů, které by dovolovaly pracovat  hluboko v těle pacienta, aniž by bylo nutné otvírat hrudník, nebo břišní dutinu. K efektivnímu ničení nádorů by zase měl jít využít pouhý „ohřev“ tkáně, který tato metoda dovoluje. Takové ohřívání zvukem by bylo šetrné k okolím tkáním a mohlo by se stát alternativou radiologické léčby. Klasické ozařování totiž s sebou vždy nese vedlejší nežádoucí dopad na buňky, které jsou před a za ozařovaným ložiskem.  Využití zvukových čoček by se nemělo týkat jen medicíny, očekává se, že se využijí k odhalování vad v mostních konstrukcích a potrubí. Vše nasvědčuje tomu, že nelineární akustické čočky mají před sebou hodně hlasitou budoucnost.

Funkčnost prototypu dokládají vědci tímto:)

Pro matematickým myšlením obdarované jedince jsou další podrobnosti k dispoziciZDE.

Pramen:
Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010; 107 (16): 7230