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Ultraino: Arduino-System für Ultraschall-Levitation

Einfach mal der Gravitation zu trotzen und Dinge schweben zu lassen, soll mit Ultraino einfacher werden. Zu dem Open-Source-System gehören ein Arduino-Shield, Software und Arrays mit Ultraschallwandler.

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Ein Tropfen schwarzer Flüssigkeit schwebt zwischen zwei Arrays mit Ultraschallwandlern

Asier Marzo

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Schwere Gegenstände und selbst Raumschiffe werden in Sci-Fi-Filmen gern mit Traktorstrahlen und Antischwerkraftlift berührungslos bewegt. In der Realität lassen sich mit Ultraschall immerhin kleine Tropfen und Dinge bewegen – mit dem neuen arduinobasierten System Ultraino wird es jetzt noch einfacher, eigene Levitationsgeräte zu bauen. Neben einem wissenschaftlichen Paper gibt es auch eine Anleitung auf Instructables.

Das modulare System verbindet Arrays aus Ultraschallwandlern mit Steuerungssoftware. Herzstück ist ein Arduino-Shield für den Arduino Mega, mit dem bis zu 64 Kanäle mit Rechteckschwingungen bis zu 17 Vpp und einer Phasenauflösung von π /5 kontrolliert werden können. Für mehr Kanäle können mehrere Boards zusammen genutzt werden. So sind verschiedene Arraybauformen möglich. Sie können sowohl flach, als auch sphärisch sein und die Partikel über einer Fläche oder zwischen zwei Arrayhälften festhalten.

Akustische Levitation zum Nachbauen (7 Bilder)

Der Arduino-Shield Ultraino muss selbst bestückt werden.
(Bild: Asier Marzo)

Die Partikel schweben über den Arrays in Wellenknoten, an denen die Schwerkraft aufgehoben ist. Sie sind Teil stehender Wellen die enstehen, wenn sich Ultraschallwellen überlagern. Der Effekt ist in der Theorie schon eine Weile bekannt, die praktische Umsetzung wird allerdings noch erforscht. Die Forscher der University of Bristol arbeiten bereits seit einigen Jahren an Levitationsgeräten, die außerdem einfach Nachzubauen sind.

Dazu sollten Interessierte allerdings etwas Erfahrung mit Elektronikbasteleien haben. Das Ultrainoboard wird mit kleinen SMD-Bauteilen bestückt und die Polarität der Ultraschallwandler muss überprüft werden, da die Herstellerangaben oft nicht stimmen. Einige Teile hat das Team auch mit dem 3D-Drucker und Lasercutter hergestellt. Alle Projektdateien von der Software über STL-Vorlagen bis zum PCB-Layout können aus einem Github-Repository heruntergeladen werden.

Im August vergangenen Jahres veröffentlichten die Forscher die Anleitung für den akustischen Levitator TinyLev auf Basis des Arduino nano, mit einem Gerüst aus dem 3D-Drucker. Dass der Nachbau und eigene Experimente mit ein wenig Elektronikkenntnissen möglich ist, demonstriert Physikerin und YouTuberin Dianna "Physics Girl" Dowern. Mit zwei Freunden baute sie das Gerät in knapp vier Stunden nach und besuchte anschließend das Labor an der Uni.

Auch ein portables Gerät, den "akustischen Traktorstrahl", hat das Team entwickelt. Ebenfalls von einem Arduino Nano gesteuert, kostet der Nachbau weniger als 60 Euro. Eine Herausforderung für die Zukunft sei, künftig noch größere Partikel zu bewegen, so die Wissenschaftler.

(hch)