В основе разработки лежит хорошо известный физический эффект — резонанс Гельмгольца. Он возникает, например, когда человек дует на горлышко бутылки: воздух внутри полости начинает колебаться на определённой частоте, создавая характерный звук.
Исследователи лаборатории MicroBioRobotic Systems (MICROBS) EPFL использовали тот же принцип, но применили его для создания движущей силы. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Звук превращается в тягу
Вместо того чтобы использовать звуковые волны для пассивной левитации объекта, учёные разработали специальные полые конструкции — акустические резонаторы, настроенные на определённые частоты.
Когда звуковая волна возбуждает воздух внутри резонатора, возникающие колебания создают асимметричный воздушный поток. Воздух выходит из полости в виде более концентрированной струи, тогда как поступающий поток распределяется по большей площади. Возникающая разница импульсов создаёт направленную тягу.
Таким образом, сама геометрия полости превращается в своеобразный двигатель, которому не нужны движущиеся механические детали.
«Вместо того чтобы толкать устройства с помощью звуковых волн, мы создали акустические резонаторы, настроенные на использование звука на определённых частотах для создания направленной тяги и контролируемого движения», — объясняет руководитель лаборатории MICROBS Селман Сакар.
Звуковые микророботы
Исследователи продемонстрировали принцип на нескольких типах устройств. Одним из них стали миниатюрные лодки, оснащённые до трёх акустических полостей.
Каждая полость была настроена на собственную звуковую частоту и ориентирована таким образом, чтобы создавать тягу в определённом направлении. Изменяя частоту внешнего источника звука, исследователи могли избирательно активировать разные резонаторы и управлять движением лодки.
Такой подход позволил не только перемещать устройства, но и обходить препятствия и выполнять запрограммированные маршруты.
Акустические полости можно изготавливать из различных материалов, включая обычные пластики для 3D-печати, эластичные полимеры и стекло. Это делает технологию потенциально совместимой с широким спектром методов изготовления миниатюрных роботов.
Микрофлайеры весом 150 микрограммов
Для демонстрации возможностей технологии на ещё меньшем масштабе учёные использовали 3D-нанопечать. Она позволила интегрировать микроскопические акустические полости непосредственно в конструкцию сверхлёгких летательных аппаратов.
Созданные исследователями микрофлайеры работали уже на ультразвуковых частотах, поэтому их работа не воспринималась человеческим ухом.
Один из аппаратов массой всего 150 микрограммов использовал акустические полости для формирования направленной тяги вверх. По принципу действия такая схема напоминает ракетный двигатель: тяга создаётся непосредственно воздушным потоком, сформированным резонаторами.
Другой вариант сочетал акустические полости с миниатюрными лопастями. Воздействие ультразвука заставляло их вращаться со скоростью до 13 000 об/мин, благодаря чему аппарат создавал устойчивую аэродинамическую подъёмную силу по принципу вертолёта.
Двигатель, встроенный в форму робота
Главное преимущество подхода EPFL заключается в том, что привод фактически становится частью конструкции устройства. Для создания движения не требуются электромоторы, редукторы, магниты или другие традиционные исполнительные механизмы.
Это особенно важно при миниатюризации. По мере уменьшения размеров робота традиционные компоненты становятся всё сложнее интегрировать, тогда как акустическую полость можно сформировать непосредственно при изготовлении корпуса.
«Наша концепция совместима с ещё большей миниатюризацией, позволяя создавать передовые конструкции, расширяющие границы робототехники и авиации», — говорит первый автор исследования Джунсун Хван.
Роботы, которые меняют форму под воздействием звука
Исследователи считают, что возможности технологии не ограничиваются созданием микролетательных аппаратов.
В будущем в одном гибком устройстве можно объединить несколько резонаторов, каждый из которых будет реагировать на собственную частоту. Тогда разные части робота смогут избирательно двигаться, изгибаться или вибрировать при изменении акустического сигнала.
Такой принцип может привести к созданию нового класса роботизированных систем, в которых источник управляющего воздействия находится вне самого робота, а его механические функции определяются геометрией встроенных акустических структур.
В отличие от обычных микродвигателей, такая система не требует размещения электроники и приводов непосредственно на летательном аппарате. Это потенциально открывает путь к созданию ещё более миниатюрных роботов для исследований, мониторинга и других задач, где масса и размеры конструкции имеют критическое значение.
Источник: https://actu.epfl.ch/news/these-tiny-drones-are-powered-by-sound-2/Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
