音で飛ぶミニドローン

その原理は、よく知られた現象であるヘルムホルツ共鳴に着想を得ている。瓶の口に息を吹きかけると、内部の空気が前後に振動し、特定の周波数がこの動きを大きく増幅し、瓶のあの馴染み深い音を生み出す。研究者たちはこの物理学を応用し、丸い空洞や鐘の形をした中空構造体を作製した。

「音波で物体を押すのではなく、正確な周波数の音を捕捉して方向性のある推力と制御された動きを生み出すために調整された音響共振器を作りました」と、研究所の責任者であるセルマン・サカルは述べる。「私たちの研究は、シンプルで巧妙に設計された機械部品をロボット素材へと変換する可能性を示しています。」

ボートとマイクロドローン

他のアプローチではすでに音を使って受動的な物体を浮揚させていたが、EPFLのチームは、音を自力で推進力に変換するデバイスを設計した。波動が空洞内の空気を励起すると、その空気は集中したジェットとして排出され、一方で流入する空気はより拡散する。この不均衡が、小型の乗り物を動かすことができる推力を作り出す。空洞は、3Dプリントプラスチック、ゴムに近いポリマー、ガラスなど、さまざまな材料で作製できる。

センチメートルスケールでは、研究者たちは最大3つの空洞を備えたミニチュアボートを構築した。各空洞は異なる可聴周波数に調整されている。スピーカーから発せられる周波数を変えることで、特定の空洞を選択的に作動させ、ボートを操縦し、障害物を回避させ、さらには自律航行用にプログラムすることもできる。

はるかに小さなスケールでは、チームはナノメートルレベルの3Dプリント技術を用いて「マイクロドローン」を作製した。これは、ポリマー構造体に組み込まれた3つの微細な空洞を持つ超軽量の飛行体である。ボートとは異なり、これらのマイクロドローンは、人間の耳には聞こえない超音波によって駆動される。わずか150マイクログラムの重量のバージョンは、ロケットのように、空洞を使って上方への垂直な推力を作り出す。別のバージョンでは、空洞を微小なブレードと組み合わせており、毎分13,000回転まで回転し、ヘリコプターのような安定した揚力を発生させる。

音に敏感なロボティクスへ

これらのデバイスはモーターではなく中空の空洞に依存しているため、さまざまな3Dプリント技術を用いて極めて小さく軽くすることができる。「私たちのコンセプトは、さらなる小型化にも対応可能であり、ロボティクスと航空工学の限界に挑む先進的な設計を可能にするでしょう」と、本研究の筆頭著者でありMICROBS研究所の博士課程学生であるファン・ジュンソンは述べている。

セルマン・サカルはまた、将来的には、同じ柔軟なデバイス内に複数の音に敏感な構造を統合し、それぞれが異なる音響周波数に反応することを構想している。「これにより、装置の特定部分が動いたり、曲がったり、振動したりすることが可能になり、音に応じて形状を変化させることができる空力学的なロボットデバイスにつながる可能性があります」と彼は説明する。