Naukowcy z laboratorium MICROBS przy EPFL opracowali małe, puste w środku struktury, które napędzają się za pomocą dźwięku. Technika, opisana w czasopiśmie Science Advances, umożliwia poruszanie miniaturowymi łodziami i mikrodronami bez silnika, przekładni ani komponentów magnetycznych.
- Naukowcy z EPFL stworzyli puste struktury napędzane dźwiękiem, bez silników.
- Wnęki wykorzystują rezonans Helmholtza, który wzmacnia drgania powietrza.
- Wyrzucane z wnęk powietrze tworzy ciąg poruszający łodzie i mikrodrony.
- Autorzy planują roboty, które zmieniają kształt pod wpływem dźwięku.
Zasada działania opiera się na dobrze znanym zjawisku – rezonansie Helmholtza. Kiedy dmuchamy w szyjkę butelki, powietrze wewnątrz niej oscyluje tam i z powrotem, a niektóre częstotliwości silnie wzmacniają ten ruch, wytwarzając charakterystyczny dźwięk. Naukowcy wykorzystali tę fizykę do stworzenia pustych struktur w kształcie okrągłej wnęki lub dzwonu.
« Zamiast popychać obiekty falami dźwiękowymi, stworzyliśmy dostrojone rezonatory akustyczne, które wychwytują dźwięk o precyzyjnych częstotliwościach, aby generować kierunkowy ciąg i kontrolowany ruch » – mówi Selman Sakar, kierownik laboratorium. « Nasza praca pokazuje wykonalność przekształcenia prostej i sprytnie zaprojektowanej części mechanicznej w materiał robotyczny. »
Łodzie i mikrodrony
Podczas gdy inne podejścia już wykorzystywały dźwięk do lewitacji pasywnych obiektów, zespół z EPFL zaprojektował urządzenia, które same przekształcają dźwięk w siłę napędową. Gdy fale pobudzają powietrze uwięzione w wnęce, jest ono wyrzucane w postaci skoncentrowanego strumienia, podczas gdy powietrze wchodzące jest bardziej rozproszone. Ta nierównowaga tworzy ciąg zdolny do poruszania małymi pojazdami. Wnęki można wytwarzać z różnych materiałów, w tym z plastików do druku 3D, polimerów zbliżonych do gumy i szkła.
W skali centymetrowej naukowcy zbudowali miniaturowe łodzie wyposażone w maksymalnie trzy wnęki, z których każda dostrojona jest do innej słyszalnej częstotliwości. Zmieniając częstotliwość emitowaną przez głośnik, mogą selektywnie aktywować określone wnęki, kierować łodziami, omijać przeszkody, a nawet programować je do autonomicznej nawigacji.
W znacznie mniejszej skali zespół wykorzystał nanometryczną technikę druku 3D do wytworzenia « mikrodronów » – ultralekkich pojazdów latających z trzema mikroskopijnymi wnękami zintegrowanymi w ich polimerowej strukturze. W przeciwieństwie do łodzi, te mikrodrony są napędzane ultradźwiękami, niesłyszalnymi dla ludzkiego ucha. Wersja ważąca zaledwie 150 mikrogramów wykorzystuje swoje wnęki do wytwarzania pionowego ciągu skierowanego w górę, na podobieństwo rakiety. Inna łączy wnęki z maleńkimi łopatkami, które obracają się z prędkością do 13 000 obrotów na minutę, aby generować stabilny ciąg w stylu helikoptera.
W stronę robotyki wrażliwej na dźwięk
Ponieważ te urządzenia opierają się na pustych wnękach, a nie na silnikach, można je uczynić niezwykle małymi i lekkimi dzięki różnym metodom druku 3D. « Nasza koncepcja jest kompatybilna z jeszcze dalej posuniętą miniaturyzacją, co umożliwi zaawansowane projekty przesuwające granice robotyki i lotnictwa » – mówi Junsun Hwang, główny autor badania i doktorant w laboratorium MICROBS.
Selman Sakar przewiduje również, że w przyszłości możliwe będzie zintegrowanie wielu struktur wrażliwych na dźwięk w jednym elastycznym urządzeniu, z których każda reagowałaby na inną częstotliwość dźwiękową. « Pozwoliłoby to na poruszanie się, zginanie lub wibrowanie precyzyjnych części urządzenia, co może prowadzić do aerodynamicznych urządzeń robotycznych zdolnych do zmiany kształtu w odpowiedzi na dźwięk » – wyjaśnia.
