Forscher des MICROBS-Labors der EPFL haben kleine, hohle Strukturen entwickelt, die sich mit Schall fortbewegen. Die in der Fachzeitschrift Science Advances beschriebene Technik ermöglicht es, Miniaturboote und Mikrodrohnen ohne Motor, Getriebe oder magnetische Komponenten anzutreiben.
Das Prinzip orientiert sich an einem bekannten Phänomen, der Helmholtz-Resonanz. Wenn man über die Öffnung einer Flasche bläst, schwingt die Luft darin hin und her, und bestimmte Frequenzen verstärken diese Bewegung stark, was den vertrauten Flaschenton erzeugt. Die Forscher nutzten diese Physik, um hohle Strukturen in Form einer runden Kavität oder einer Glocke herzustellen.
« Anstatt Objekte mit Schallwellen zu schieben, haben wir akustische Resonatoren entwickelt, die auf bestimmte Frequenzen abgestimmt sind, um Schall einzufangen und so einen gerichteten Schub und eine kontrollierte Bewegung zu erzeugen », erklärt Selman Sakar, Leiter des Labors. « Unsere Arbeit zeigt die Machbarkeit, ein einfaches und clever gestaltetes mechanisches Bauteil in robotische Materie zu verwandeln. »
Boote und Mikrodrohnen
Während andere Ansätze Schall bereits nutzten, um passive Objekte schweben zu lassen, hat das EPFL-Team Geräte entwickelt, die den Schall selbst in Antriebskraft umwandeln. Wenn die Wellen die Luft in einer Kavität anregen, wird diese als konzentrierter Strahl ausgestoßen, während die einströmende Luft diffuser ist. Dieses Ungleichgewicht erzeugt einen Schub, der kleine Fahrzeuge bewegen kann. Die Hohlräume können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, darunter 3D-Druck-Kunststoffe, gummiähnliche Polymere und Glas.
Im Zentimeterbereich bauten die Forscher Miniaturboote mit maximal drei Kavitäten, die jeweils auf eine andere hörbare Frequenz abgestimmt sind. Durch Ändern der von einem Lautsprecher abgegebenen Frequenz können sie gezielt eine bestimmte Kavität aktivieren, die Boote steuern, Hindernisse umfahren lassen und sie sogar für eine autonome Navigation programmieren.
In einem viel kleineren Maßstab nutzte das Team eine nanometrische 3D-Drucktechnik, um « Mikrodrohnen » herzustellen – ultraleichte Fluggeräte mit drei mikroskopisch kleinen Kavitäten, die in ihre Polymerstruktur integriert sind. Im Gegensatz zu den Booten werden diese Mikrodrohnen von Ultraschall angetrieben, der für das menschliche Ohr unhörbar ist. Eine Version mit einem Gewicht von nur 150 Mikrogramm nutzt ihre Kavitäten, um einen senkrechten Aufwärtsschub zu erzeugen, ähnlich wie eine Rakete. Eine andere kombiniert die Kavitäten mit winzigen Rotorblättern, die sich bis zu 13.000 Umdrehungen pro Minute drehen, um einen stabilen Hubschrauber-Auftrieb zu erzeugen.
Auf dem Weg zu einer schallempfindlichen Robotik
Da diese Geräte auf hohlen Kavitäten und nicht auf Motoren basieren, können sie mit verschiedenen 3D-Druckverfahren extrem klein und leicht gemacht werden. « Unser Konzept ist mit einer noch weitergehenden Miniaturisierung kompatibel, was fortschrittliche Designs ermöglicht, die die Grenzen der Robotik und Luftfahrt verschieben », sagt Junsun Hwang, Erstautor der Studie und Doktorand im MICROBS-Labor.
Selman Sakar stellt sich auch vor, in Zukunft mehrere schallempfindliche Strukturen in ein einziges flexibles Gerät zu integrieren, die jeweils auf eine andere Schallfrequenz reagieren. « Dies würde es ermöglichen, dass präzise Teile des Geräts sich bewegen, biegen oder vibrieren, was zu aerodynamischen Robotergeräten führen könnte, die ihre Form als Reaktion auf Schall verändern », erklärt er.
