Nečujne mikrodronove pokreće zvuk

Inženjeri s Federalnog tehnološkog instituta u Lausanni EPFL, dizajnirali su akustične šupljine koje pretvaraju zvučne valove u potisak, pokrećući male robote i ultralake letjelice bez ugrađenih aktuatora ili elektronike.

Kada pušete zrak preko grla boce, ne proizvodite samo ugodan ton: također demonstrirate fenomen koji se naziva Helmholtzova rezonancija. To se događa kada protok zraka koji prolazi kroz otvor uzrokuje osciliranje zraka zarobljenog unutar šupljine (poput staklene boce) naprijed-natrag. Na određenim frekvencijama te oscilacije postaju mnogo jače, proizvodeći poznati zvuk zujanja.

Sada su istraživači u laboratoriju MicroBioRobotic Systems (MICROBS) na EPFL-u iskoristili fiziku koja stoji iza ovog fenomena kako bi izgradili šuplje strukture koje djeluju kao minijaturni strojevi na zvuk. Inovacija je objavljena u časopisu Science Advances.

„Umjesto da uređaje pomičemo zvučnim valovima, stvorili smo akustične rezonatore koji su podešeni da iskoriste zvuk na određenim frekvencijama kako bi generirali usmjereni potisak i kontrolirano kretanje“, kaže voditelj laboratorija Selman Sakar. „Naš rad pokazuje izvedivost transformacije jednostavnog, pametno dizajniranog mehaničkog dijela u robotsku materiju.“

Dok su prethodni pristupi koristili zvučne valove za levitaciju pasivnih objekata u zraku, tim EPFL-a dizajnirao je uređaje koji pretvaraju zvuk u vlastitu pogonsku silu. Njihova inovacija leži u izradi šupljih okruglih ili zvonastih struktura koje se nazivaju šupljine.

Kada zvučni valovi pobude zrak unutar tih šupljina, oscilirajući zrak se istiskuje kao koncentrirani mlaz, dok je dolazni protok zraka difuzniji. Ova neravnoteža stvara potisak koji može pokretati mala vozila. Ove šupljine koje pokreću zvuk mogu biti izrađene od raznih materijala, uključujući uobičajenu 3D-printanu plastiku, polimere slične gumi i staklo.

Na centimetarskoj skali, tim je izgradio minijaturne brodiće opremljene s do tri šupljine, od kojih je svaka podešena na različitu zvučnu frekvenciju i postavljena tako da gura brod u određenom smjeru. Promjenom frekvencije zvučnih valova iz zvučnika, istraživači su mogli selektivno aktivirati različite šupljine kako bi pomicali brodove, upravljali njima oko prepreka, a čak su ih i programirali za autonomnu navigaciju.

Nadalje, koristeći tehniku ​​3D nanoprintanja, tim je izgradio ultralaka leteća vozila s tri mikroskopske šupljine integrirane izravno u njihove polimerne strukture. Za razliku od brodova, pokretani su ultrazvučnim frekvencijama nečujnim ljudskom uhu. Jedan dizajn težine samo 150 mikrograma koristio je svoje šupljine za generiranje izravnog potiska prema gore poput rakete. Drugi je kombinirao šupljine s malim lopaticama, koje su se vrtjele brzinom do 13.000 okretaja u minuti, kako bi generirale stabilan aerodinamički uzgon sličan helikopteru.

Budući da se uređaji oslanjaju na šuplje šupljine umjesto na motore, zupčanike ili magnetske komponente, mogu se izraditi izuzetno mali i lagani korištenjem raznih metoda 3D ispisa.

„Naš koncept je kompatibilan s još većom minijaturizacijom, omogućujući napredne dizajne koji pomiču granice robotike i aeronautike“, kaže prvi autor i doktorand MICROBS Laba, Junsun Hwang.

Sakar dodaje da bi se u budućnosti nekoliko struktura koje reagiraju na zvuk moglo ugraditi u jedan fleksibilni uređaj, pri čemu bi svaka reagirala na različitu frekvenciju zvuka. „To bi omogućilo određenim dijelovima uređaja da se pomiču, savijaju ili vibriraju, što bi potencijalno moglo dovesti do aerodinamičnih robotskih uređaja koji mogu mijenjati oblik kao odgovor na zvuk“, kaže.