Инженеры научились приводить в движение микророботов с помощью звуковых волн
В основе — резонанс Гельмгольца: тот самый гул, который возникает, если подуть в горлышко бутылки
Микролетуны размером с монету раскручивают лопасти до 13 000 оборотов в минуту
Управление идёт сменой частоты, а ультразвук человеческое ухо не слышит
Инженеры нашли способ приводить в движение крошечные дроны и роботов при помощи того, с чем мы сталкиваемся ежедневно, — звуковых волн.
Источник изображения — popsci.com
Физика бутылочного гула
Технология, описанная в исследовании в журнале Science Advances, опирается на физическое явление под названием резонанс Гельмгольца. Он возникает, когда воздух, запертый в полости, начинает колебаться туда-обратно под действием воздушного потока.
Проще всего представить это так: подуйте поперёк горлышка стеклянной бутылки — низкий гул, который вы услышите, и есть те самые колебания, усиленные на определённых частотах. Явление известно с XIX века и до сих пор работает в самых прозаичных вещах: от резонаторов в глушителях автомобилей до отверстия фазоинвертора в акустических колонках.
Как звук превращается в тягу
Команда изучила, можно ли использовать этот резонанс для перемещения предметов. Суть в следующем: когда звуковые волны заходят в полость, движущийся воздух выталкивается наружу концентрированной струёй. При этом входящий поток, наоборот, более рассеян. Возникающий дисбаланс создаёт результирующую силу в одном направлении — а значит, объект можно двигать звуком.
Источник изображения — popsci.com
«Вместо того чтобы толкать устройства звуковыми волнами, мы создали акустические резонаторы, настроенные так, чтобы улавливать звук на конкретных частотах и порождать направленную тягу и управляемое движение, — говорит соавтор работы Селман Сакар, инженер-механик Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии. — Наша работа показывает возможность превращения простой, но хитро спроектированной механической детали в роботизированную материю».
Формулировка не случайна: у такого устройства нет ни двигателя, ни аккумулятора, ни электроники. Вся «механика» заключена в форме самой детали, а энергия приходит извне — со звуком. Это принципиально иной подход к микророботам, у которых источник питания традиционно и остаётся главным ограничением: чем меньше робот, тем хуже в него влезает батарея.
Сначала лодки, потом дроны
Сперва исследователи напечатали на 3D-принтере серию полостей разной формы, размера и из разных материалов, чтобы понять, какие дают наибольшую тягу. Затем напечатали миниатюрные лодки, оснащённые тремя резонаторами, настроенными на разные частоты и направленными в определённые стороны.
Меняя частоту, подаваемую с динамика, команда могла управлять лодкой и обводить её вокруг препятствий в небольшом бассейне. Схема получилась изящной: каждый резонатор откликается только на свою частоту, поэтому одним динамиком можно раздельно управлять несколькими двигателями — примерно как радиоканалами, только без единой электронной детали на борту. В итоге исследователи собрали полностью интегрированную лодку с дистанционным управлением и заставили её выписать на воде аббревиатуру своего университета.
Источник изображения — popsci.com
Следующим шагом стали микролетуны — крошечные дроны размером примерно с монету, с тремя микроскопическими полостями, встроенными прямо в конструкцию. Питались они ультразвуковыми частотами, недоступными человеческому слуху.
Один из аппаратов использовал полости для создания направленной вверх тяги, другой — превращал звуковую силу во вращение крошечных лопастей со скоростью до 13 000 оборотов в минуту, поднимаясь в воздух подобно миниатюрному вертолёту.
Меньше уже некуда? Ещё как есть куда
И если вам показалось, что эти роботы и так крошечные, вас ждёт сюрприз: они могут стать ещё меньше.
Источник изображения — popsci.com
«Наша концепция совместима с дальнейшей миниатюризацией и открывает путь к продвинутым конструкциям, раздвигающим границы робототехники и аэронавтики», — отмечает соавтор исследования, инженер-механик Чунсун Хван.
Здесь и кроется главное преимущество подхода. Обычные механизмы при уменьшении масштаба работают всё хуже: трение и вязкость воздуха растут относительно массы, а моторы и подшипники упираются в физические пределы. У акустического резонатора подвижных частей нет вообще, поэтому уменьшение размера ему не мешает — наоборот, требует лишь более высокой рабочей частоты.
Команда полагает, что будущие конструкции смогут объединять несколько чувствительных к звуку структур в одном гибком устройстве. «Это позволило бы отдельным частям устройства двигаться, изгибаться или вибрировать, что потенциально ведёт к аэродинамическим роботам, меняющим форму в ответ на звук», — добавляет Сакар.
Где это может пригодиться
Пока речь идёт о лабораторной демонстрации, а не о готовом продукте, и у подхода есть очевидное ограничение: источник звука должен находиться рядом. Улететь далеко от динамика такой аппарат не может по определению — это привязная система, только вместо провода у неё акустическое поле.
Зато именно в этом ограничении и кроется область применения. Микророботы без батареи и электроники интересны там, где нужен управляемый механизм в замкнутом объёме: перемещение частиц и капель в лабораторных чипах, сборка микроструктур, работа в средах, где электроника неуместна или её невозможно разместить. Со временем — возможно, и медицинские сценарии, но до них здесь ещё очень далеко.
