Onderzoekers van het MICROBS-lab van de EPFL hebben kleine holle structuren ontwikkeld die zich voortbewegen dankzij geluid. Deze techniek, beschreven in het tijdschrift Science Advances, maakt het mogelijk om miniatuurboten en microdrones te laten voortbewegen zonder motor, tandwielen of magnetische componenten.
- Onderzoekers van de EPFL ontwikkelden holle structuren die met geluid bewegen.
- Deze techniek heeft geen motor, tandwielen of magnetische onderdelen nodig.
- Miniatuurboten en microdrones reageren op geluid met specifieke frequenties.
- In de toekomst kunnen geluidsgevoelige robots van vorm veranderen.
Het principe is geïnspireerd op een bekend fenomeen: de Helmholtz-resonantie. Wanneer je over de hals van een fles blaast, trilt de lucht binnenin heen en weer, en bepaalde frequenties versterken deze beweging sterk, wat het bekende geluid van de fles produceert. De onderzoekers hebben deze fysica toegepast om holle structuren te maken, in de vorm van een ronde holte of een bel.
« In plaats van objecten voort te duwen met geluidsgolven, hebben we afgestemde akoestische resonatoren gemaakt om geluid op specifieke frequenties op te vangen en zo een gerichte stuwkracht en gecontroleerde beweging te genereren », zegt Selman Sakar, hoofd van het laboratorium. « Ons werk toont de haalbaarheid aan om een eenvoudig en slim ontworpen mechanisch onderdeel om te vormen tot robotmateriaal. »
Boten en microdrones
Hoewel andere benaderingen al geluid gebruikten om passieve objecten te laten zweven, heeft het EPFL-team apparaten ontworpen die zelf geluid omzetten in voortstuwingskracht. Wanneer de golven de lucht in een holte exciteren, wordt deze uitgestoten als een geconcentreerde straal, terwijl de binnenkomende lucht meer diffuus is. Deze onbalans creëert een stuwkracht die kleine voertuigen kan verplaatsen. De holtes kunnen worden vervaardigd uit verschillende materialen, waaronder 3D-printplastics, rubberachtige polymeren en glas.
Op centimeterschaal hebben de onderzoekers miniatuurboten gebouwd, uitgerust met maximaal drie holtes, elk afgestemd op een verschillende hoorbare frequentie. Door de frequentie die door een luidspreker wordt uitgezonden te wijzigen, kunnen ze selectief een bepaalde holte activeren, de boten sturen, ze obstakels laten omzeilen en ze zelfs programmeren voor autonome navigatie.
Op een veel kleinere schaal heeft het team een nanometrische 3D-printtechniek gebruikt om « microdrones » te maken: ultralichte vliegende voertuigen met drie microscopische holtes geïntegreerd in hun polymeerstructuur. In tegenstelling tot de boten worden deze microdrones aangedreven door ultrasone geluiden, die onhoorbaar zijn voor het menselijk oor. Een versie van slechts 150 microgram gebruikt zijn holtes om een verticale stuwkracht naar boven te produceren, zoals een raket. Een andere versie combineert de holtes met minuscule wieken, die tot 13.000 toeren per minuut draaien om een stabiele liftkracht van het helikoptertype te genereren.
Naar een robotica die gevoelig is voor geluid
Omdat deze apparaten gebaseerd zijn op holle holtes en niet op motoren, kunnen ze extreem klein en licht worden gemaakt dankzij verschillende 3D-printmethoden. « Ons concept is compatibel met nog verdere miniaturisatie, wat geavanceerde ontwerpen mogelijk maakt die de grenzen van robotica en luchtvaart verleggen », zegt Junsun Hwang, eerste auteur van de studie en promovendus bij het MICROBS-lab.
Selman Sakar ziet ook toekomstmogelijkheden in het integreren van meerdere geluidsgevoelige structuren in één enkel flexibel apparaat, waarbij elk reageert op een verschillende geluidsfrequentie. « Dit zou ervoor kunnen zorgen dat specifieke delen van het apparaat bewegen, buigen of trillen, wat kan leiden tot aerodynamische robotapparaten die van vorm kunnen veranderen in reactie op geluid », legt hij uit.
