Marco Aurélio Brizzotti Andrade.

A manipulação sem contato de gotas de líquidos e objetos sólidos frágeis através de métodos de levitação acústica possui diversas aplicações em química, farmácia, biologia e em microeletrônica. Nos últimos anos, diversos novos avanços em levitação acústica vêm permitindo o controle do movimento do objeto levitado em três dimensões, mas oscilações indesejadas do objeto levitado podem inibir sua utilização em certas aplicações que necessitam de alta precisão na movimentação do objeto. Com o intuito de aumentar a velocidade de manipulação e reduzir as oscilações indesejadas do objeto levitado, nós iremos investigar a aplicação de sistemas de controle em malha aberta e malha fechada no contexto da levitação acústica. Para realizar este estudo, iremos combinar os conhecimentos de engenharia de controle do grupo de pesquisa alemão com os conhecimentos de levitação acústica do grupo de pesquisa brasileiro. Neste estudo, gotas de líquidos e objetos sólidos serão levitados e manipulados por um sistema de levitação acústica constituído por uma matriz de transdutores de ultrassom de baixa potência. Métodos de engenharia de controle, como feed forward control e H-infinity control, serão aplicados para reduzir a oscilação e aumentar a velocidade de manipulação do objeto levitado. Este estudo será dividido em três partes. Na primeira parte, iremos projetar um novo sistema de levitação acústica e implementar um modelo caixa branca, na qual os parâmetros do modelo serão determinados experimentalmente através de métodos de identificação. Em seguida, iremos utilizar este modelo para desenvolver um sistema de controle em malha aberta para manipular objetos sólidos e gotas de líquidos. Estes resultados serão utilizados para desenvolver um sistema em malha fechada na qual uma câmera de alta velocidade será utilizada para obter a posição do objeto e a partir disso, o sistema de controle irá atuar para reduzir as oscilações indesejadas causadas por distúrbios inerentes ao sistema, como aqueles causados pelo fenômeno da correnteza acústica. A avaliação do sistema será feita a partir de critérios como erro no posicionamento do objeto, velocidade máxima e amplitude da oscilação do objeto levitado. Como última etapa, o sistema desenvolvido será instalado em um equipamento de espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS) para levitar, manipular e analisar múltiplas gotas de líquidos no ar.

O objetivo principal deste projeto de pesquisa é dar continuidade ao desenvolvimento de levitadores acústicos, visando não apenas a levitação, mas também o transporte e a manipulação do objeto levitado. O desenvolvimento dos levitadores será realizado com o auxílio de simulações computacionais baseadas no Método dos Elementos Finitos, que serão empregadas para prever o comportamento dinâmico dos transdutores e calcular a força de radiação acústica que atua no objeto levitado. No decorrer do projeto serão desenvolvidos diversos tipos de levitadores. Um dos modelos de levitadores a serem desenvolvidos é o levitador acústico de um único eixo, que é constituído por um transdutor de ultrassom e por um refletor. Serão desenvolvidos diversos modelos de levitadores de um único eixo e estes serão destinados a pesquisadores de outros grupos de pesquisa, que utilizarão a técnica de levitação acústica em experimentos de espalhamento de raio X, estudo de sistemas farmacêuticos e experimentos com radiação síncrotron. Também serão desenvolvidos levitadores baseados em transdutores multi-elementos de 40 kHz e um sistema de levitação capaz de levitar, transportar e unir gotas de forma controlada.

O objetivo principal deste projeto é estudar e desenvolver dispositivos baseados em ondas estacionárias de ultrassom para levitação e manipulação de partículas em ar. A manipulação sem contato de partículas por ondas estacionárias de ultrassom tem um grande potencial de ser aplicado nas áreas de biotecnologia, química analítica e em microeletrônica. Devido à força de radiação acústica, é possível suspender e manipular partículas em meios líquidos e em gases. A manipulação de partículas pode ser realizada através da modulação espaço-temporal do campo de pressão da onda estacionária, o que permite controlar a posição de uma partícula em um meio fluido. Os dispositivos para manipulação de partículas serão desenvolvidos a partir de simulações computacionais utilizando o Método dos Elementos Finitos (FEM), que serão utilizadas no projeto e na otimização dos dispositivos de manipulação. Após realizar as simulações, os dispositivos de levitação e manipulação serão fabricados e caracterizados. Estes dispositivos irão operar numa faixa de frequência entre 20 e 40 kHz.