Исследователи из лаборатории MICROBS Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали небольшие полые структуры, которые приводятся в движение звуком. Описанная в журнале Science Advances, эта техника позволяет перемещать миниатюрные лодки и микродроны без двигателя, шестерёнок или магнитных компонентов.
Принцип вдохновлён хорошо известным явлением — резонансом Гельмгольца. Когда дуют в горлышко бутылки, воздух внутри колеблется вперёд-назад, и определённые частоты сильно усиливают это движение, создавая знакомый звук бутылки. Исследователи использовали эту физику для создания полых структур в форме круглой полости или колокола.
«Вместо того чтобы толкать объекты звуковыми волнами, мы создали настроенные акустические резонаторы для захвата звука на определённых частотах, чтобы генерировать направленную тягу и контролируемое движение», — заявляет руководитель лаборатории Сельман Сакар. «Наша работа демонстрирует возможность превращения простой и остроумно спроектированной механической детали в роботизированный материал».
Лодки и микродроны
Если другие подходы уже использовали звук для левитации пассивных объектов, то команда EPFL разработала устройства, которые сами преобразуют звук в движущую силу. Когда волны возбуждают воздух внутри полости, он выбрасывается в виде концентрированной струи, в то время как входящий воздух более рассеян. Этот дисбаланс создаёт тягу, способную перемещать небольшие транспортные средства. Полости могут быть изготовлены из различных материалов, включая пластики для 3D-печати, полимеры, близкие к резине, и стекло.
В масштабе сантиметра исследователи построили миниатюрные лодки, оснащённые максимум тремя полостями, каждая из которых настроена на разную слышимую частоту. Изменяя частоту, излучаемую динамиком, они могут выборочно активировать ту или иную полость, направлять лодки, обходить препятствия и даже программировать их для автономной навигации.
В гораздо меньшем масштабе команда использовала технику нанометровой 3D-печати для создания «микродронов» — сверхлёгких летательных аппаратов с тремя микроскопическими полостями, встроенными в их полимерную структуру. В отличие от лодок, эти микродроны питаются ультразвуком, не слышимым для человеческого уха. Одна версия весом всего 150 микрограмм использует свои полости для создания вертикальной тяги вверх, подобно ракете. Другая сочетает полости с крошечными лопастями, которые вращаются со скоростью до 13 000 оборотов в минуту, чтобы создать стабильную подъёмную силу по вертолётному типу.
К робототехнике, чувствительной к звуку
Поскольку эти устройства основаны на полых полостях, а не на двигателях, их можно сделать чрезвычайно маленькими и лёгкими с помощью различных методов 3D-печати. «Наша концепция совместима с дальнейшей миниатюризацией, что позволит создавать передовые конструкции, расширяющие границы робототехники и авиации», — утверждает Джунсан Хван, первый автор исследования и докторант лаборатории MICROBS.
Сельман Сакар также рассматривает возможность интеграции в будущем нескольких звукочувствительных структур в одно гибкое устройство, каждая из которых реагирует на разную звуковую частоту. «Это позволит определённым частям устройства двигаться, изгибаться или вибрировать, что может привести к созданию аэродинамических роботизированных устройств, способных менять форму в ответ на звук», — объясняет он.
