Описание: Резонансная полость, три микроскопических резонатора и ультразвуковые колебания.
Когда воздух проходит поперёк горлышка пустой бутылки, внутри возникает характерный гул. Это явление называется резонансом Гельмгольца — воздушная масса в полости начинает колебаться с определённой резонансной частотой, при которой колебания значительно усиливаются. Исследователи использовали этот физический принцип для разработки принципиально нового типа привода микророботов, работающего без электродвигателей, механических шестерёнок и магнитных систем.
Основу конструкции составляют круглые или колоколообразные полости, которые функционируют как акустические резонаторы. Форма и размер каждой полости рассчитываются для работы на определённой звуковой частоте. Когда звук достигает резонансной частоты, воздух внутри полости начинает интенсивно вибрировать и выходит через отверстие узконаправленной струёй. Обратный поток воздуха распределяется по всему объёму полости значительно более широко. Асимметрия между сосредоточенным выходящим потоком и рассеянным входящим потоком создаёт реактивную тягу, которая может приводить в движение небольшой аппарат.
Этот механизм отличается от традиционной акустической левитации, при которой звуковое поле напрямую воздействует на объект. В данном случае звуковые волны запускают встроенный резонатор, который трансформирует воздушные колебания в ориентированный поток. Сам движитель представляет собой просто полость определённой формы. Для производства можно использовать стандартные полимеры для трёхмерной печати, гибкие полимерные материалы и стекло.
Первоначально инженеры протестировали эту концепцию на миниатюрных судёнышках размером в несколько сантиметров. В корпус встроили до трёх резонансных полостей, настроенных на различные звуковые частоты в диапазоне, слышимом человеком. Резонаторы установили под разными углами, чтобы каждый генерировал тягу в определённом направлении. Изменение частоты звука, подаваемого внешним динамиком, позволяло активировать нужный резонатор.
Переключение между различными частотами давало возможность направлять судёнышко нужным курсом и объезжать препятствия. Для изменения направления движения не требовались отдельные моторы, механические переключатели или сложная бортовая система управления: разные акустические частоты управляли разными резонаторами. Исследователи также продемонстрировали возможность автономного движения судёнышек по заранее заданной траектории.
В дальнейшем конструкцию значительно уменьшили, используя технологию трёхмерной нанопечати, и создали чрезвычайно лёгкие летающие микророботы. В полимерный корпус каждого микроаппарата интегрировали три микроскопические резонансные полости. Судёнышки управлялись посредством слышимого звука, тогда как летающие модели функционировали на ультразвуковых частотах, не воспринимаемых человеческим слухом.
Один из микророботов имел массу всего 150 микрограммов. Встроенные резонаторы направляли потоки воздуха вниз, создавая вертикальную реактивную тягу, которая поднимала аппарат в воздух. Миниатюрное устройство обходилось без отдельного двигателя: необходимую силу для полёта создавали колебания воздуха в интегрированных полостях.
Для альтернативной конструкции летающего робота учёные добавили к акустическому приводу миниатюрные винтовые лопасти. Резонаторы разгоняли их до 13 тысяч оборотов в минуту, а вращение порождало стабильную аэродинамическую подъёмную силу, подобно вертолётному винту. Один принцип превращал звуковые колебания непосредственно в вертикальную тягу, второй использовал акустическую энергию для вращения пропеллера.
Исключение традиционных электродвигателей особенно критично при разработке микророботов. По мере уменьшения размеров аппарата стандартный двигатель, трансмиссия и прочие механические компоненты занимают всё большую часть доступного пространства и общей массы конструкции. Акустический резонатор можно напечатать одновременно с основным корпусом при помощи трёхмерной печати, что исключает необходимость отдельной сборки привода. Различные технологии аддитивного производства позволяют создавать конструкции в широком диапазоне размеров.
Дальнейшие исследования направлены на создание гибких робототехнических систем, в которых можно разместить множество резонаторов, работающих на различных частотах. В таком случае определённая частота сможет приводить в действие конкретный участок корпуса: деформировать его, вызывать вибрацию или изменять положение независимо от других частей. Разработчики рассматривают данный принцип как основополагающий для миниатюрных летательных аппаратов, способных трансформировать свою форму под воздействием звуковых команд.