Швейцарські дослідники лабораторії MicroBioRobotic Systems Lab Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) розробили принципово новий підхід до створення мініатюрних роботів. На відміну від традиційних пристроїв, ці мікродрони використовують акустичну енергію для руху, повністю позбавляючись необхідності в двигунах, батареях та складних механізмах.
Як працює звукова тяга
Основу технології складає явище акустичного резонансу. Коли звук певної частоти потрапляє всередину спеціально спроєктованої порожнистої камери, повітря всередини починає сильно вібрувати. Ця вібрація спрямовується через отвір у конструкції, створюючи повітряний струмінь, який штовхає пристрій вперед.
“Наша робота демонструє можливість перетворення простого, грамотно спроєктованого механічного елемента на роботизовану матерію”, — говорить Сельман Сакар, керівник лабораторії MICROBS. Дослідження опубліковано в престижному виданні Science Advances.
На відміну від експериментів з акустичною левітацією, де звук впливає на об’єкт ззовні, мікродрони EPFL генерують власний рух завдяки внутрішній геометрії. Резонатори виготовляли з 3D-друкованих пластиків, гумоподібних полімерів та скла, що дозволило досягти надзвичайно компактних розмірів.
Експерименти на човнах та в повітрі
У першій демонстрації дослідники встановили до трьох резонаторів на невеликих човнах. Кожна порожнина реагувала на окрему звукову частоту, дозволяючи команді керувати човнами, змінюючи звук від динаміка та обходячи перешкоди. Човни навіть програмували для автономної навігації.
З використанням 3D-нанодруку дослідники створили мікролітальні апарати, що працюють на ультразвукових частотах, невиразне людям. Однією з найпримітніших конструкцій була система вагою 150 мікрограмів, яка піднімалася з поверхні подібно до ракети. У другій конструкції три лопаті обертались зі швидкістю до 13 000 об/хв, створюючи достатню підйомну силу для висіння в повітрі як крихітний гелікоптер.
Переваги акустичної пропульсії для мікророботів
Ключова перевага технології полягає в усуненні потреби не лише в двигуні, а й у батареї на борту апарату. Зовнішнє джерело звуку передає акустичну енергію, яку мікродрони перетворюють на спрямований рух. Для надзвичайно малих робітників, де найменше джерело живлення займає значну частину простору, це революційне рішення.
Архітектура EPFL дозволяє інтегрувати рушійну систему безпосередньо у форму корпусу. Замість встановлення окремих електродвигунів та механізмів передачі, необхідні функції закладаються прямо в геометрію надрукованих акустичних структур. Напрямок руху визначається формою самих порожнин, що одночасно виконує функції джерела тяги та механічного компонента.
- Мікродрони працюють на принципі акустичного резонансу без механічних деталей
- Резонатори реагують на конкретні звукові частоти для керування рухом
- Відсутність батарей дозволяє досягти мініатюрних розмірів
- Можливість програмування складних траєкторій та поведінки
“Наша концепція сумісна з подальшою мініатюризацією, що дає змогу створювати вдосконалені конструкції, які розширюють межі робототехніки та аеронавтики”, — каже Юнсун Хван, перший автор дослідження та аспірант лабораторії MICROBS.
Майбутні системи можуть містити кілька резонаторів, кожен з яких реагуватиме на окрему частоту. Це дозволитиме окремим частинам мікродронів рухатися, згинатися або вібрувати, створюючи аеродинамічні роботизовані пристрої, здатні змінювати форму у відповідь на звук.
Хоча поточні демонстрації мають обмеження — мікролітальні апарати піднімаються менш ніж на 5 міліметрів, — експерименти чітко доводять, що резонансні порожнини здатні працювати як рушійні системи для малих роботизованих пристроїв. Ця технологія відкриває новий клас мікророботів, де сама конструкція корпусу стає джерелом тяги.
