Інженери Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) створили незвичайні мікромашини, здатні рухатися завдяки звуковим хвилям. Їм не потрібні встановлені на борту двигуни, батареї чи складна електроніка — достатньо правильно спроєктованої порожнистої конструкції та звуку потрібної частоти.
В основі технології лежить добре відоме фізичне явище — резонанс Гельмгольца. Саме він змушує повітря всередині пляшки коливатися, коли над її горлечком проходить потік повітря, створюючи характерний звук.
Дослідники з лабораторії MicroBioRobotic Systems використали той самий принцип у набагато практичнішій формі. Вони створили спеціальні порожнини, які перетворюють акустичні коливання на спрямований потік повітря, а той, своєю чергою, створює тягу.
Звук змушує мініатюрні машини рухатися
Коли звукова хвиля потрапляє в таку порожнину, повітря всередині починає коливатися. Через особливу форму конструкції повітря виходить назовні концентрованим струменем, тоді як потік, що надходить усередину, розподіляється ширше.
Ця асиметрія створює тягу, якої достатньо для переміщення дуже легких об’єктів. Для експериментів учені виготовляли порожнини з різних матеріалів, зокрема пластику для 3D-друку, еластичних полімерів та скла. На сантиметровому масштабі команда створила мініатюрні човни, оснащені до трьох таких резонаторів. Кожен із них налаштували на окрему звукову частоту та орієнтували для руху в певному напрямку.
Змінюючи частоту звуку, який генерував динамік, дослідники могли вмикати потрібну порожнину та змушувати човник рухатися вперед, повертати або обходити перешкоди. У перспективі такий принцип можна використовувати навіть для автономної навігації.
Мікролітальні апарати без двигунів
Ще цікавішим став експеримент із надзвичайно легкими літальними апаратами, які дослідники назвали microfliers. Їх виготовили за допомогою 3D-нанодруку, інтегрувавши крихітні акустичні порожнини безпосередньо в полімерний корпус.
На відміну від човнів, ці конструкції працювали на ультразвукових частотах, які людина не чує. Один із апаратів важив лише 150 мікрограмів. Його акустичні резонатори створювали спрямовану тягу вгору, фактично працюючи за принципом мініатюрної ракети.
Інша конструкція поєднувала акустичні порожнини з крихітними лопатями. Вони могли обертатися зі швидкістю до 13 000 обертів за хвилину, створюючи стабільну підйомну силу за принципом вертольота.
Роботи, які реагують на звук
Головна перевага такого підходу полягає у відсутності традиційних приводів, шестерень, магнітів та електроніки. Завдяки цьому конструкції можна робити надзвичайно маленькими та легкими, використовуючи сучасні методи 3D-друку.
Дослідники вважають, що технологію можна масштабувати ще далі. У майбутньому в одному гнучкому роботі можна буде розміщувати багато акустичних резонаторів, кожен із яких реагуватиме на власну частоту.
Тоді різні частини конструкції зможуть рухатися, згинатися або вібрувати у відповідь на звук. Це відкриває шлях до створення роботів, здатних змінювати форму без традиційних двигунів.
Поки що технологія перебуває на експериментальній стадії. Однак вона демонструє цікавий напрям розвитку мікроробототехніки: іноді для руху найменшої машини може бути потрібен не двигун, а лише правильно спроєктована порожнина і звук потрібної частоти. Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances.
