Le Micro Ultrasonic Levitator est un lévitateur acoustique de type « DIY » conçu par Ulrich Schmerold, un collaborateur du magazine Make. Ce dernier a publié la marche à suivre pour réaliser l’appareil. Image: Ulrich Schmerold, Make
Une curieuse technologie nommée lévitation acoustique permet des avancées en pharmacologie, en chimie et même en robotique.
Au 10e siècle, au Moyen-Orient, voici comment l’historien arabe Al-Masudi expliquait que les Anciens aient réussi à construire les grandes pyramides d’Égypte, 3 500 ans plus tôt : « Des papyrus portant des inscriptions magiques étaient insérés sous les blocs de pierre, avant que ces derniers ne soient frappés avec un instrument métallique, vraisemblablement une tige ou un bâton. Cela les poussait à s’élever dans les airs et à voyager sur la distance d’un tir d’arc. »
Fabulation, bien sûr. Toutefois, depuis quelques décennies, dans les laboratoires de physique de la planète, la lévitation acoustique est loin d’être un mythe. Des assemblages complexes de haut-parleurs permettent de contrer la gravité et de garder en suspension dans l’air différents objets, de la bille de mousse de polystyrène de quelques millimètres de diamètre à la pièce électronique de plusieurs centimètres de longueur. Théoriquement, la technique pourrait même soulever des blocs rocheux. Al-Masudi aurait-il dit vrai au sujet des pyramides ?
Nicolas Quaegebeur, professeur de génie et membre du Groupe d’acoustique de l’Université de Sherbrooke, fait partie des scientifiques qui explorent les possibilités de la lévitation acoustique. « Nous pouvons entendre les sons, mais nous pouvons aussi les ressentir. Quiconque est déjà allé dans un concert est familier avec cette pression qu’on peut percevoir sur tout le corps devant de gros haut-parleurs. On l’oublie, mais les ondes sonores sont des perturbations mécaniques de l’air, qui se propagent à environ 340 mètres par seconde. Et ces ondes mécaniques peuvent interagir avec les obstacles qu’elles rencontrent. À preuve : elles impriment leur mouvement de vibration à nos tympans et c’est ce qui nous permet de percevoir ce qu’on appelle un son. »
Ces gouttes, pouvant contenir différents composés pharmaceutiques, restent en suspension grâce aux ondes acoustiques. Image: Dan Harris, Laboratoire national d’Argonne
Le son, un mouvement
Pour bien comprendre comment ces ondes peuvent faire léviter des objets, on ne peut s’éviter une petite leçon d’acoustique. Un peu comme les ronds concentriques qui se forment dans l’eau lorsqu’on y lance un caillou, le son se propage par vagues dans l’air à partir de sa source. Mais, à la différence des ronds dans l’eau, qui grandissent sur une surface plane en deux dimensions, les sons se propagent en trois dimensions, dans toutes les directions, sous forme de sphères qui grandissent, plutôt que de cercles.
Plus précisément, cette propagation est une alternance de sphères de haute pression et de sphères de plus basse pression. « Les ondes sonores sont des fronts sphériques de haute pression et de basse pression qui grandissent et se propagent dans l’air à la même vitesse », complète Nicolas Quaegebeur. Plus les sphères sont rapprochées, plus la fréquence est élevée et plus le son paraît aigu. Plus elles sont éloignées, plus la fréquence est basse et plus le son semble grave. La distance entre deux zones de haute pression se nomme la longueur d’onde. « Bien sûr, pour des sons du quotidien, ces différences de pression entre les fronts sont minimes, quelques micropascals, explique le chercheur. Mais cette différence peut être plus élevée lorsqu’on augmente l’intensité du son – lorsqu’on monte le volume ou qu’on crie, par exemple. »
Voilà pour la leçon. Ces notions deviennent particulièrement intéressantes lorsqu’on positionne deux haut-parleurs identiques face à face. S’ils émettent le même son en même temps, on obtient un patron très particulier : une onde stationnaire. « Les ondes produites par les deux émetteurs se croisent. Les zones de haute pression des deux ondes se rencontrent toujours aux mêmes points, et s’additionnent pour créer des zones de pression encore plus grandes, poursuit l’ingénieur. Même chose pour les zones de basse pression qui se superposent aux mêmes endroits. Les zones de pression ne se propagent plus, elles restent fixes. »
Lorsque les deux émetteurs sont maintenus face à face, mais disposés l’un au-dessus de l’autre, les zones de haute pression stationnaires se retrouvent empilées verticalement. Placez un petit objet sur une de ces zones de haute pression et, s’il est assez léger, il s’y maintiendra en l’air, la pression légèrement supérieure pouvant s’opposer à la gravité. Ça y est, la lévitation est possible ! On peut même faire léviter plusieurs objets, un sur chaque zone de haute pression, comme sur autant de tablettes d’une minuscule étagère invisible.
« En utilisant un seul jeu d’émetteurs, on crée des zones de lévitation très étroites, au point qu’il est parfois difficile d’y déposer les objets, précise Heinrich Jaeger, chercheur à l’Université de Chicago, qui travaille aussi sur la lévitation acoustique. Cependant, si on positionne plusieurs émetteurs sur une surface, on peut créer des zones plus grandes, des “plateaux” de lévitation de quelques centimètres carrés. Et là, les possibilités s’ouvrent : on peut y mettre plusieurs objets et voir comment ils interagissent, ou encore, faire varier l’intensité des émetteurs individuellement pour contrôler finement le déplacement des objets, horizontalement et même verticalement. » De quoi, un jour, mouvoir des médicaments dans le corps pour les livrer à des endroits précis ou assembler des composés fragiles sans les toucher.
En pratique, plus les objets qu’on veut faire léviter sont lourds, plus il faut faire hurler les haut-parleurs ! « La zone de haute pression est quand même très faible et, même avec une microbille de polystyrène expansé, il faut pousser l’intensité, c’est-à-dire monter le volume. Pour faire léviter une sphère de 4 mm de diamètre, il faut atteindre 143 décibels. » L’intensité sonore du spectacle le plus bruyant jamais mesuré, du groupe de métal américain Manowar, était de 139 dB !
Cela dépasse le seuil de la douleur, fixé à 120 dB. Comment, alors, mener de telles expériences sans souffrir ? « Facile. Nous travaillons avec des ultrasons, précise en souriant Heinrich Jaeger. Ce sont des sons dont la fréquence est tellement élevée, donc tellement aigus, que nos oreilles ne peuvent pas les percevoir. » Même de jeunes oreilles en bonne santé n’entendent pas les sons au-delà de la fréquence de 20 000 hertz, c’est-à-dire 20 000 vagues de haute pression par seconde. Les chercheurs travaillent donc avec des sons de 25 000 Hz, voire 40 000 Hz, poussés à plus de 150 décibels… mais inaudibles.
C’est pourquoi les scientifiques rencontrés pour cet article préfèrent l’appellation lévitation ultrasonique à celle de lévitation acoustique.
Au Laboratoire national d’Argonne, aux États-Unis, le procédé permet de mieux étudier la cristallisation des molécules en les maintenant en suspension.
Image: Dan Harris, Laboratoire national d’Argonne
Quête fondamentale
Ces dernières années, avec son équipe, Heinrich Jaeger s’est penché sur les ondes sonores qui se dispersent lorsqu’elles frappent un objet qui lévite. L’onde qui arrive du bas, par exemple, et qui frappe un objet sphérique en pleine lévitation, rebondit et produit une multitude d’ondes secondaires qui se dispersent dans différentes directions, notamment à l’horizontale. Lorsqu’on travaille avec plusieurs microbilles de polystyrène expansé, chacune d’elles est donc entourée d’ondes sonores de dispersion.
« J’ai voulu voir si ces ondes dispersées influençaient le mouvement des billes lorsqu’on les laisse libres de bouger. Nous avons découvert que ces ondes jouent un rôle attractif. Des billes libres de bouger sur un plan horizontal en deux dimensions se rassemblent spontanément pour former des amas. À partir de six billes, on observe que les figures géométriques formées par les billes changent selon trois configurations possibles, et ça ressemble beaucoup au changement de configuration qu’on observe dans certaines molécules, à l’échelle atomique. La lévitation ultrasonique s’avère un outil parfait pour étudier des phénomènes dynamiques à l’échelle moléculaire, mais avec des objets macroscopiques. »
Pour l’instant, dans les laboratoires de recherche, les microbilles de polystyrène sont les cobayes favoris pour tester la lévitation. Image: M. Andrade/Université de São Paulo
La lévitation permet aussi de développer des modèles de phénomènes de beaucoup plus grande envergure. « Une bulle de liquide ou un amas de billes, en lévitation, c’est un peu comme un solide. Un solide friable, mais un solide quand même. En utilisant d’autres ondes sonores, on peut facilement faire tourner l’échantillon, toujours sans le toucher. À vitesse suffisante, la rotation modifie la forme de l’objet, l’aplatit, le fait éclater… Même chose que dans un gros astéroïde ou dans une galaxie : la gravité retient ces composantes plutôt lâchement, et ces mouvements de rotation peuvent les modifier. On peut recréer tout cela en laboratoire, sur une table. »
Le chercheur et son équipe ont aussi constaté que des objets de forme cubique s’arrimaient les uns aux autres en se « connectant » par leurs arêtes, plutôt que par leurs faces. Ou encore, qu’un grand nombre de billes s’agençaient spontanément en « radeaux » en quelques dizaines de millisecondes, radeaux dont l’épaisseur ne dépassait jamais une seule bille.
À l’Université de Bristol, en Angleterre, l’ingénieur et chercheur Bruce Drinkwater tente de harnacher le phénomène pour en faire des « pinces acoustiques ». « Ce sont des champs ultrasoniques tridimensionnels qui immobilisent parfaitement un objet en créant des zones de haute pression autour de toutes ses faces. L’objet est emprisonné et on peut alors faire tourner le système dans tous les sens sans jamais le laisser tomber. »
Un principe dont s’inspire la bien nommée No-Touch Robotics, une jeune pousse suisse qui propose des bras robotisés dont la pince mécanique est remplacée par une enceinte de lévitation acoustique pour manipuler de petits objets sans les toucher. La précision de la « pince » est assurée par de fins réglages de l’intensité sonore de chacun des émetteurs placés dans deux coupoles qui se font face, une précision si grande qu’elle compense les défauts de mouvement du reste du bras. Des scientifiques espagnols ont même réussi à assembler de petits bâtons de bois de 8 cm avec ce type de robot à la main invisible !
La lévitation ultrasonique est aussi toute désignée pour manipuler des objets fragiles, comme des cellules vivantes. « En collaboration avec une équipe d’ingénierie tissulaire, poursuit Bruce Drinkwater, nous avons réussi à agencer des cellules musculaires, sans les abîmer, en un patron de plusieurs “sillons” qui ont ensuite permis de faire croître des fibres musculaires fonctionnelles. Les muscles cultivés grâce à cette nouvelle méthode se sont avérés meilleurs qu’avec toute autre méthode connue. »
En 2020, un chercheur du Centre national de la recherche scientifique de France et une collègue de l’Université technologique de Delft, aux Pays-Bas, ont démontré qu’il était possible d’utiliser ces pinces acoustiques en biologie et en biomédecine pour déployer des médicaments de façon ultra-localisée ou pour organiser des cellules souches in vitro afin d’en faire des tissus. La même année, des chercheurs de l’Université de Washington ont réussi à contrôler le mouvement de billes de verre de 3 mm dans la vessie de truies.
À l’Université de Sherbrooke, c’est dans le domaine des pâtes et papiers que les chercheurs du Groupe d’acoustique ont trouvé une application à la lévitation ultrasonique. « Un étudiant de maîtrise l’a utilisée pour concentrer la pulpe de papier dans les flux d’eau d’une papeterie, explique Nicolas Quaegebeur. Les émetteurs d’ultrasons sont placés pour former un anneau qui entoure un conduit dans lequel passe l’eau chargée de pulpe. Dans le tuyau, lorsque le système est allumé, les particules de pulpe sont poussées vers le centre par les ultrasons. Un tuyau plus petit, à l’intérieur du premier, permet alors de recueillir cette eau plus concentrée en pulpe. La filtration qui suit est donc plus efficace, car le contenu est plus riche en pulpe. » Sachant toute l’énergie qu’il faut pour séparer la pulpe de l’eau et, surtout, la sécher, toute augmentation de concentration est bienvenue.
On le constate, les applications de la lévitation acoustique sont nombreuses et variées. « Et on n’en est encore qu’aux débuts, s’enthousiasme Nicolas Quaegebeur. On pourrait s’en servir pour filtrer des polluants, pour contrôler des microréactions chimiques, pour imaginer de nouvelles façons d’assembler de petits appareils… L’imagination est la seule limite ! »
Et le poids des objets, lui ? « En fait, il n’y a pas de limite à la masse des objets qu’on pourrait soulever par lévitation ultrasonique, avance Bruce Drinkwater, depuis Bristol. Il suffit de monter le volume ! Mais les intensités très élevées requièrent beaucoup d’énergie. »
Et pourrait-on faire léviter un humain ? « Théoriquement, oui, poursuit l’ingénieur, encore ici avec un bon volume. Mais, même si les ultrasons utilisés ne risquaient pas de blesser les oreilles du cobaye, les risques seraient très élevés, car des ondes sonores d’une telle intensité agiteraient les molécules d’air et les surchaufferaient rapidement, tout comme les molécules de la personne. Le risque de brûlure serait grave et immédiat. »
Ainsi, faire léviter un bloc de pierre de 2,5 tonnes pour construire une pyramide ne serait pas une mince affaire. Il faudrait installer minutieusement de nombreux émetteurs et monter le volume à 185 dB, ce qui nécessiterait une puissance en électricité de huit mégawatts. C’est exactement la puissance de la centrale solaire Gabrielle-Bodis, propriété d’Hydro-Québec, qui comprend 26 000 panneaux s’étendant sur une surface équivalente à 28 terrains de football. Il est peu probable que les Anciens aient eu accès à une telle puissance…
En apesanteur
En créant la possibilité de maintenir des objets immobiles sans les toucher, la lévitation acoustique est très utile pour mener des manipulations dans des conditions sans gravité. L’une des premières utilisations de la lévitation ultrasonique a eu lieu dans la navette spatiale américaine Challenger, en 1985. L’astronaute Taylor Wang s’en est servi pour observer la formation, le comportement et la fragmentation de gouttelettes en microgravité, des expériences simples, mais impossibles à mener sur Terre. La lévitation ultrasonique s’est avérée très pratique pour empêcher les liquides de se disperser dans la navette, faute de gravité.
