User-specified patterning of micro-objects is a promising route toward the bottom-up fabrication of structures directly from solution. Among contemporary approaches, including magnetic and optical methods, acoustic manipulation provides superior material compatibility as well as high complexity of the generated potential fields. However, acoustic pattern formation approaches are intrinsically limited to periodic potential profiles due to the nature of acoustic standing waves. To overcome this challenge, conventional methods either employ large arrays of ultrasound transducers or fabricate a unique field modulation hologram specifically for every desired pattern.
This thesis introduces a highly programmable and flexible autonomous pattern formation method that uses only a single transducer and requires no mask. The method applies dynamic acoustic fields to assemble particles into arbitrary two-dimensional patterns on a centrally-actuated vibrating plate. The field-produced particle motion is controlled by switching between several frequencies of vibration (1-20 kHz) of the plate and predicted by adaptable neural networks. To shape the particles into a desired pattern, the method applies a mixture of optimization techniques guiding the particle motion. Additionally, the method has been experimentally verified by assembling tens of 0.6-mm solder balls into multiple complex predefined patterns on the vibrating plate surface.Käyttäjän määrittelemä mikro-esineiden kuviointi on lupaava reitti rakenteiden alhaalta ylöspäin tapahtuvaan valmistukseen. Verrattuna magneettisiin ja optisiin menetelmiin sekä muihin nykyaikaisiin lähestymistapoihin hiukkasten akustinen hallinta tarjoaa erinomaisen materiaalien yhteensopivuuden sekä voimakenttien monimutkaisuuden. Akustiset kuvionmuodostustavat rajoittuvat kuitenkin luontaisesti jaksollisiin potentiaaliprofiileihin akustisten seisovien aaltojen luonteen vuoksi. Tämän haasteen voittamiseksi tavanomaisissa menetelmissä joko käytetään suuria ultraääni-muuntimien ryhmiä tai valmistetaan kenttämodulaatiohologrammit yksilöllisesti jokaista haluttua kuviota varten.
Tässä diplomityössä esitetään uusi erittäin ohjelmoitava ja joustava autonominen kuvionmuodostusmenetelmä, joka käyttää vain yhtä äänilähdettä eikä vaadi maskia. Uusi menetelmä soveltaa dynaamisia akustisia kenttiä hiukkasten kokoamiseksi mielivaltaisiksi kaksiulotteisiksi kuvioiksi värähtelylevyn päälle. Kentän tuottamaa hiukkasten liikettä ohjataan vaihtamalla levyn useiden värähtelytaajuuksien (1-20 kHz) väliltä ja ennustetaan hermoverkkojen avulla. Halutun hiukkaskuvion muodostamiseksi käytetään optimointimenetelmien joukkoa, joka määrittelee hiukkasten liikesuunnan. Esitetty kuvionmuodostusmenetelmä on myös kokeellisesti varmennettu kokoamalla kymmeniä halkaisijaltaan 0,6 mm:n kokoisia juotospalloja ennalta määrätyiksi kuvioiksi värähtelylevyn päälle.
