È una scena da film di fantascienza, ma c’è una parte che si avvicina ai fatti più di quanto immaginiamo: i raggi traenti stanno diventando realtà. Già da tempo siamo in grado di far levitare gli oggetti: basta avere un ventilatore abbastanza grande. Ma oggi si costruiscono strumenti più avanzati, che fanno fluttuare gli oggetti nell’aria e li muovono con velocità e precisione.

Non sono semplici trucchi. I raggi traenti funzionano come bracci robotici invisibili, in grado di spostare, separare e ripulire particelle delicate come le cellule viventi o i componenti elettronici. Potrebbero essere la base per un tipo di produzione contactless (senza contatto), in grado di eliminare quasi del tutto il rischio di contaminazione o di danni. Infine potrebbero servire a creare dei nuovi ologrammi. L’applicazione più entusiasmante riguarda lo spostamento di oggetti non nell’aria, ma all’interno dei tessuti degli esseri viventi. Potremmo spostare microcamere, eliminare oggetti estranei, forse perfino costruire minuscole macchine nei corpi senza l’uso del bisturi. I raggi traenti non saranno in grado di intrappolare un’astronave, ma sembrano comunque utili.

Da decenni siamo affascinati dall’idea di tenere sospesi degli oggetti nello spazio. Nel 1933 in Polonia due scienziati usarono un oscillatore al quarzo per creare un’onda sonora stazionaria i cui picchi positivi e negativi rimanevano nella stessa posizione. Questo produceva dei punti di bassa pressione nello spazio vuoto, dove gli scienziati videro che si potevano trattenere delle goccioline di alcol sfidando la forza di gravità.

Impressionante, ma non estremamente utile, perché l’oggetto in questione non poteva essere spostato e doveva essere circondato dai cristalli di quarzo. Poi ci fu il noto episodio della rana levitante. Nel 1997 Andre Geim e il suo collega Michael Berry, all’epoca entrambi all’università di Bristol, nel Regno Unito, scoprirono che con un forte campo magnetico era possibile respingere alcuni tipi di molecole, comprese quelle dell’acqua. Geim e Berry usarono dei magneti per sospendere una serie di oggetti in aria, tra cui una rana che, come altri animali, è per lo più fatta d’acqua. Ma i magneti dovevano essere estremamente potenti e questo metodo non funzionava con tutti i materiali.

Le origini degli strumenti di precisione a raggi traenti di cui oggi si parla tanto si possono far risalire al 2010, quando Sriram Subramanian e Bruce Drinkwater lavoravano all’università di Bristol. Decisero di usare una serie di altoparlanti a ultrasuoni come quelli dei sensori di parcheggio delle automobili per creare la cosiddetta tecnologia aptica, basata sull’interazione attraverso il tatto. L’idea era produrre andamenti di pressione nell’aria percepibili dalle persone. Qualcosa di simile a un dito invisibile che disegna un cerchio sul palmo della mano o un’onda che scorre lungo le dita.

La tecnologia aptica può avere applicazioni utili. Per esempio, se combinata con il riconoscimento dei gesti potrebbe servire a controllare i macchinari. Per svilupparla Subramanian, che oggi lavora allo University college di Londra, ha fondato di recente la società Ultraleap. Controllare alcuni accessori delle auto senza bisogno di toccarli potrebbe ridurre il numero di occasioni in cui distogliamo lo sguardo dalla strada, rendendo la guida più sicura. Anche le interfacce aptiche per le biglietterie automatiche o le casse self-service potrebbero essere molto utili dato che, come afferma Subramanian, “oggi tutti stanno attenti all’igiene”.

Con Drinkwater avevano cominciato a chiedersi se potevano usare le onde sonore per far levitare e spostare gli oggetti. All’inizio per loro era un gioco. Drinkwater pensava fosse una bella dimostrazione da presentare agli open day dell’università. Ma i due ricercatori hanno scoperto ben presto che potevano andare oltre le semplici onde stazionarie.

I loro altoparlanti potevano produrre forme tridimensionali complesse fatte di suoni, che potevano essere modificate programmando diversamente i dispositivi. Oggetti come palline di polistirolo o gocce di liquido potevano essere catturate nei punti di bassa pressione e fluttuare con il modificarsi delle forme. I due scienziati hanno creato un paio di “pinzette” acustiche, fatte di due proiezioni di suono simili a dita in grado di afferrare una pallina e spostarla. Poi hanno ideato un vortice di suoni che faceva roteare le palline. Sono perfino riusciti a creare più punti di bassa pressione, in cui si potevano controllare più oggetti contemporaneamente.

Drinkwater si divertiva a mostrare i suoi esperimenti in pubblico, ma poi si è chiesto se potevano diventare qualcosa di più di un gioco. Uno dei limiti della serie di altoparlanti era che tra le casse e l’oggetto non doveva esserci nulla.

Nel 2018 Subramanian ha trovato una soluzione nei metamateriali acustici: materiali dalle proprietà sonore, che non esistono in natura. Con una stampante 3d ha realizzato sedici mattoncini di plastica, ognuno con una struttura interna in grado di manipolare il suono. Con i mattoncini è riuscito a piegare le onde sonore intorno a un oggetto. Per dare una dimostrazione della nuova tecnologia, Subramanian le ha indirizzate intorno a un omino di plastica con una mazza da baseball, facendo in modo che una pallina andasse su e giù, e da un lato all’altro della sua testa.

Come mettere a frutto questa magia acustica? Una delle prime idee è stata realizzare i cosiddetti display volumetrici, immagini tridimensionali sospese nell’aria come quelle che potremmo vedere sul pannello di controllo di un’astronave in un film di fantascienza. Drinkwater e il suo team hanno fatto sfrecciare nell’aria una pallina di polistirolo così velocemente da creare un’immagine, un po’ come se tracciassimo un disegno nel buio con una stellina scintillante. È possibile anche illuminare la pallina e farle cambiare colore. In un altro esperimento, Subramanian ha usato due serie parallele di altoparlanti per far roteare la pallina, formando disegni a una velocità di nove metri al secondo. In una dimostrazione nel 2019, questo è bastato per creare forme grafiche semplici come faccine sorridenti e i numeri di un conto alla rovescia.

Altri scienziati stanno studiando applicazioni più ambiziose. Asier Marzo dell’università pubblica della Navarra, in Spagna, pensa che potrebbero essere usati per la produzione senza contatto in campi come l’elettronica, la farmacologia e le scienze biomediche, dove alcuni componenti possono essere facilmente danneggiati o contaminati. Marzo, che in passato ha lavorato con Drinkwater, ha pubblicato le istruzioni per la costruzione di un raggio traente acustico fai-da-te che costa meno di 180 euro. Ha sperimentato la levitazione e l’unione di sfere e bastoncini per creare figure semplici, e spera che anche i ricercatori di altri campi comincino a riflettere su come usare queste tecniche. “Voglio creare le fondamenta su cui altri scienziati costruiranno”, afferma. “Sono sicuro che salteranno fuori grandi idee”.

Sarà difficile usare i raggi acustici per far levitare oggetti grandi e pesanti, ma potrebbe non essere un problema. Infatti sembra più utile far levitare cose piccole e leggere, come cellule e frammenti di tessuti. Esistono già sistemi per studiare questi materiali, ma non sono perfetti. Prendiamo, per esempio, le centrifughe usate per separare i componenti di fluidi come il sangue. Questi strumenti faticano a trattenere gli elementi più piccoli. Tony Jun Huang della Duke university, in North Carolina, si è chiesto se una centrifuga fatta di suoni potesse funzionare meglio.

Era interessato in particolare a isolare gli esosomi, pacchetti di proteine e dna rilasciati dalle cellule. Sono considerati indicatori utili per diagnosticare in anticipo i tumori e il morbo di Alzheimer, ma sono così piccoli che le centrifughe non riescono a isolarli. L’anno scorso Huang ha creato un vortice di suoni in grado di trattenere e far ruotare le goccioline di fluidi. Variando la frequenza del suono, lui e i suoi collaboratori hanno potuto controllare le dimensioni delle nanoparticelle contenute nel vortice. Hanno poi dimostrato che la centrifuga acustica era in grado di isolare gli esosomi nei campioni di sangue dei topi. Con una centrifuga tradizionale il processo richiede circa otto ore, afferma Huang: “Con quella acustica possiamo ottenere lo stesso risultato in un minuto”.

I raggi traenti acustici potrebbero anche essere usati per spostare degli oggetti all’interno degli esseri viventi. Nel 2020 l’ingegnere Michael Bailey e i suoi colleghi dell’università di Washington hanno usato raggi come quelli sviluppati da Drinkwater e Subramanian per far muovere delle perle di vetro di tre millimetri di diametro nella vescica di alcuni maiali sedati. Sono stati in grado di guidare le sfere lungo percorsi tridimensionali complessi.

Bailey sta lavorando con i medici di due ospedali statunitensi per verificare se è possibile usare l’acustica per rimuovere i calcoli renali. Si usa già frantumare i calcoli con gli ultrasuoni, ma alcuni frammenti restano nei reni. Il sistema ideato da Bailey mira a colpirli con i suoni per spostarli in posizioni da dove saranno eliminati più facilmente. Per seguire quello che succede si usa una normale macchina per le ecografie. “I calcoli fanno salti di circa un centimetro”, dice Bailey. “La maggior parte delle persone rimane esterrefatta quando li vede”. Il progetto a lungo termine prevede l’uso di raggi traenti acustici per spostare questi frammenti in modo controllato. Il lavoro di Bailey è in gran parte sponsorizzato dalla Nasa, perché l’agenzia spaziale statunitense considera i calcoli renali un serio pericolo per la salute degli astronauti.

Probabilmente è possibile spostare oggetti di ogni tipo all’interno del corpo. Prendiamo per esempio le microbolle, sfere fatte di molecole di grassi, che potrebbero essere riempite con un farmaco, iniettate, spinte in punti particolari del corpo con un raggio traente e poi fatte scoppiare usando gli ultrasuoni. Sarebbe un ottimo sistema per somministrare i farmaci per la chemioterapia perché così si evita di danneggiare i tessuti sani.

L’ingegnere meccanico Diego Ba­resch dell’università di Bordeaux, in Francia, si è molto interessato all’idea. L’anno scorso l’ha testata usando un modello di tessuto umano e delle bolle riempite con nanoparticelle. Con Valeria Garbin dell’Imperial college di Londra ha dimostrato che è possibile afferrare le bolle con le pinzette acustiche, spostarle e farle scoppiare dove si desidera.

Anche Yi-ju Ho della Chung Yuan christian university di Taoyuan, a Taiwan, studia l’uso delle microbolle in medicina e sostiene che possano essere usate per rilasciare ossigeno vicino ai tumori, aumentando l’efficacia dei trattamenti. Secondo la scienziata la proposta di Baresch di controllare la posizione delle microbolle con un raggio traente è una buona idea, che “potrebbe ridurre la tossicità sistemica e gli effetti collaterali della terapia”.

Si potrebbe fare lo stesso con le microcamere. Per studiare l’apparato digerente sta diventando sempre più comune usare telecamere grandi quanto una pillola che i pazienti devono ingoiare. Il servizio sanitario nazionale britannico sta avviando la sperimentazione di questa tecnica su undicimila persone per uno screening dei tumori all’intestino. Ma una volta all’interno del corpo le microcamere non si riescono più a controllare.

“Ci piacerebbe fermarle, farle ruotare un po’ o tornare indietro se ci è sfuggito qualcosa”, dice Bailey, secondo cui un raggio traente acustico sarebbe l’aiutante perfetto. “C’è ampio margine per renderle più sofisticate”.

Subramanian, che ha contribuito a lanciare queste ricerche, sta ancora riflettendo su nuovi modi per usare i suoi raggi traenti. Attualmente sta lavorando a un’idea stravagante. Con l’accademia di belle arti di Shanghai, in Cina, sta progettando un’installazione basata su una serie di display ad alimentazione acustica che mostrano delle teste mentre parlano e cantano. Subramanian è entusiasta di tutti i modi in cui si possono usare i raggi traenti acustici. Ma, in fondo, per lui sono sempre un po’ un gioco. ◆ bt