Звук поднял микроробота в воздух: акустическая тяга оказалась почти в 5 раз больше его веса
Инженеры напечатали микрорезонаторы, которые превращают звук в направленные воздушные струи: один аппарат поднялся на 12 мм, а другой раскрутил ротор до 13 000 оборотов в минуту
Инженеры Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии (EPFL) разработали систему движения для микророботов, использующую звук вместо классического двигателя. В основе устройства лежит резонатор Гельмгольца.
При звуке подходящей частоты воздух внутри такого резонатора начинает интенсивно колебаться. Из-за особенностей движения воздуха на входе и выходе из узкого канала формируется направленная струя. Она создаёт тягу, достаточную для перемещения, управления и даже подъёма лёгких аппаратов.
Учёные изготовили на 3D-принтере резонаторы размером в несколько сантиметров. Они работали с частотами примерно от 200 Гц до 40 кГц. Более крупные полости создавали большую тягу, однако на эффективность особенно влияли форма и толщина горлышка резонатора. Разные устройства можно было настроить на разные частоты, поэтому звук выполнял не только функцию источника энергии, но и служил командой управления.
Сначала систему испытали на миниатюрных лодках. Один из ранних прототипов двигался только после подачи звука частотой 1,2 кГц. В более сложной версии отдельные резонаторы отвечали за движение и поворот: лодка объезжала препятствия и проходила трассу в форме восьмёрки со средней ошибкой следования 5,70 мм.
В другой конструкции внешний динамик заменили небольшими вибрационными преобразователями, прикреплёнными непосредственно к резонаторам. Это позволило создать устройство со встроенными аккумулятором, электроникой управления и источниками вибрации. Команды передавались по Bluetooth, а задержка между командой и срабатыванием системы составляла около 30 мс. Устройство смогло воспроизвести траекторию букв «EPFL», объехать препятствия и вернуться на курс после того, как его намеренно сдували потоком воздуха или отталкивали.
Самой показательной частью работы стали 2 летающих микроробота. Первый аппарат массой около 0.15 мг имел 3 микроскопических резонатора, настроенных на частоту 40 кГц. Сфокусированный ультразвук заставлял их выбрасывать вниз небольшие воздушные струи. Суммарная тяга составила примерно 4,9 собственного веса робота: он ускорился вверх, поднялся примерно на 12 мм и затем стабилизировался на высоте около 7 мм от исходного положения.
Второй аппарат массой 0.184 мг использовал акустические струи для вращения ротора с крошечными аэродинамическими лопастями. Под действием ультразвука ротор разогнался примерно до 13 000 об/мин, после чего аппарат смог оторваться от поверхности. В режиме зависания скорость снизилась примерно до 6500 об/мин. Испытание с переворотом корпуса показало, что подъём обеспечивала именно аэродинамическая тяга, а не только давление звуковых волн. Вращающийся вариант оказался стабильнее прямоточного, вероятно, благодаря гироскопическому эффекту.
Пока речь что идёт о демонстрации принципа, а не о полностью автономных микророботах. Для полёта системе нужен внешний акустический источник, который удерживает достаточно сильное звуковое поле на перемещающемся объекте, что ограничивает рабочую область. Размещение источника звука на борту повысило бы автономность, но добавило бы аппарату массу. Кроме того, летающая система пока что работает на одной частоте 40 кГц, поэтому независимо управлять несколькими резонаторами сложно.
Авторы считают, что в дальнейшем управление можно будет передать многочастотным ультразвуковым массивам, которые активируют разные резонаторы выборочно. Они также указывают на возможность дальнейшего уменьшения устройств с помощью 3D-нанопечати, способной формировать структуры с разрешением около 700 нм. Однако на микрометровом масштабе возрастает влияние вязкости воздуха, из-за чего тяга может резко снизиться и простое уменьшение существующей конструкции перестанет работать.