حزم دوّامية بزلية فوق‑صوتية متعددة القنوات بواسطة عدسة معدنية بتقسيم مكاني

تَدوِير الصوت الذي يمكنك توجيهه

تخيل أن بإمكانك لف الصوت إلى دوّامات صغيرة تحت الماء وإرسال عدة دوّامات في اتجاهات مختلفة في آنٍ واحد، كل ذلك من رقاقة واحدة صامتة. هذا ما تحققه هذه الدراسة: تبيّن كيفية تشكيل الموجات فوق‑الصوتية إلى عدة حزم «دوّامية» مركزة يمكن توجيه كل منها باستقلالية، ما يفتح آفاقاً لاتصالات بحرية أغنى والتعامل اللطيف الخالي من التلامس مع أجسام ميكرومترية مثل الخلايا أو الجسيمات.

لماذا يهم الصوت الملتف

في الماء، غالباً ما يكون الصوت أفضل وسيلة للتواصل أو لاستكشاف المحيط. بخلاف الحزم المستقيمة البسيطة، تعلّم المهندسون تشكيل الصوت على هيئة لولب، يُطلق عليه اسم الحزمة الدوّامية. هذه الحزم الدوّامية تحمل نوعاً من العزم الزاوي الذي يمكنه حجز جزيئات صغيرة في بقعة مركزية مظلمة وجعلها تدور، كما أن اختلافات هذا العزم تعمل كقنوات مميزة لإرسال المعلومات. حتى الآن، كانت معظم الأجهزة قادرة على إنتاج حزمة واحدة فقط أو نمط ثابت، مما حد من قابلية تطبيق هذه الحقول الصوتية الغريبة في التقنيات العملية.

عدسة واحدة، العديد من الدوامات الصوتية

صمّم الفريق عدسة مسطحة خاصة، أو عدسة معدنية، مصنوعة من شبكة كثيفة من الأعمدة الدقيقة، يبلغ عرض كل منها نحو خُمس المِلم. عندما تمر الموجات فوق‑الصوتية عبرها، تؤخر اختلافات ارتفاع هذه الأعمدة الصوت بمقادير متفاوتة، معيدة تشكيل الموجة الخارجة. بدلاً من تخصيص السطح كله لنمط واحد، أدخل الباحثون أربعة أنماط متداخلة عبر الشبكة، مثل رقعة شطرنج حيث ينتمي كل لون إلى قناة مختلفة. تتحوّل موجة مستوية واردة بسيطة بهذه الطريقة إلى أربع حزم دوّامية منفصلة، كل واحدة مائلة في اتجاهها الخاص وتحمل عزمها الخاص، كل هذا دون أجزاء متحركة أو إلكترونيات معقدة.

الحفاظ على تماسك الحزم وكفاءتها

عادةً ما تتباعد الحزمة الدوّامية الملتفة بسرعة أثناء انتقالها، مما يهدر الطاقة. لمواجهة ذلك، يجمع المؤلفون بين الشكل الدوّامي ونوع آخر من الحزم المعروفة بقدرتها على البقاء ضيقة على مسافات طويلة، منتجين ما يسمى بحزمة بزلية دوّامية. يقومون بضبط التصميم بدقة بحيث تظل الحزم الأربع مركزة ومتفصّلة جيداً في الماء عند تردد فوق‑صوتي شائع الاستخدام في الطب يبلغ 2 ميغاهرتز. تُظهر محاكاة الحاسوب وتجارب الحوض باستخدام عيّنة مطبوعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة أن الحزم تظهر بالزوايا المقصودة بخطأ يقل عن درجة واحدة، وأن معظم طاقة الصوت تتركز حيث ينبغي أن تكون، في اللب الرئيسي لكل دوّامة بدلاً من التموجات الجانبية غير المرغوب فيها.

ضبط القوة والشكل

بما أن العدسة مُرمّزة قناة تلو الأخرى، يمكن للمصممين تغيير ليس فقط اتجاه كل حزمة ولكن أيضاً مدى انقلابها وشدتها. من خلال تخصيص «درجات لفّ» أعلى لقنوات محددة، ينتجون دوّامات أعرض وأكثر تشتتاً، بينما تبقى الدرجات الأدنى أكثر تماسكا—وهو أمر مفيد إذا رغبت في حجز أحجام جسيمات مختلفة في نقاط مختلفة. كما يعرضون نسخة ذات قناتين من العدسة تُخصص لها مساحة سطحية أكبر لعدد أقل من الحزم. في تلك الحالة، تزداد شدة الصوت قرب لبّ الدوامات بنحو أربعة أضعاف تقريباً مقارنة بتصميم القنوات الأربع، مقابل المقايضة بين عدد القنوات وقوة ونقاء الحزم.

من عرض مختبري إلى أدوات مستقبلية

تؤكد قياسات الحقل الصوتي أن كل قناة تطابق شكل الدوامة المثالي عن كثب، مع تداخل منخفض بينها. كما تقارن الطريقة بشكل إيجابي مع الأساليب الأقدم التي تكدّس ببساطة عدة أنماط فوق بعضها؛ من خلال تقسيم السطح إلى مناطق متداخلة بدلاً من ذلك، تُهدر العدسة الجديدة طاقة أقل وتفصل القنوات بشكل أفضل. عملياً، قد يعني ذلك أجهزة مدمجة تحت الماء تبث عدّة تيارات بيانات في آن واحد، أو ملاقط صوتية تفرز الخلايا حسب الحجم أو النوع باستخدام دوّامات مختلفة في الوقت نفسه. بالنظر إلى المستقبل، يمكن أن يُدمج نفس المخطط بكسل‑بـبكسل مع أقنعة بسيطة أو مفاتيح نشطة لتشغيل القنوات وإيقافها دون إعادة بناء العدسة، مما يجعل الصوت الملتف أداة أكثر تنوعاً للاتصالات والتصوير والمعالجة على النطاق المجهري.

الاستشهاد: Su, Y., Wang, D., Gu, Z. et al. Multi-channel ultrasonic Bessel vortex beams by spatial multiplexing metalens. Commun Eng 5, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00599-3

الكلمات المفتاحية: حزم دوّامية فوق‑صوتية, ال acoustics تحت الماء, عدسة صوتية معدنية, التقسيم المكاني, الملاقط الصوتية