Ha egy üres üveg tetejét fújva hallunk egy tiszta, állandó hangot, most ezt a jelenséget olyan technológiává formálták, amely apró robotokat hajt motor nélkül. A mérnökök ezt az egyszerű dallamot használják fel, hogy a robotok mozogjanak és irányítható tolóerőt hozzanak létre anélkül, hogy egyetlen hagyományos motor dolgozna bennük.
Az új rendszerek teljes egészében a hang által működnek. Amikor a helyes frekvenciát célozzák befelé, a szerkezetük üregei rezonálnak és egy levegőáramot löknek ki, amely elég tolóerőt ad ahhoz, hogy egy apró csónakot legyen képes irányítani vagy egy mini repülő robotot felemelni a levegőbe. Ez a jelenség a rezgő üregek által kibocsátott lökéssel valósítja meg a mozgást.
A tudósok ezt a megoldást augusztus 12-én jelentették meg a Science Advances című lapban, bemutatva a hanghajtású, motormentes mikrorobotok koncepcióját és kísérleti eredményeit.
A 19. századi hangolási trükk miniatűr méretben
A mögöttes hatás neve Helmholtz-rezonancia, amelyet először 1856-ban vizsgált Hermann von Helmholtz német fizikus, amikor egy hangolási eszközt próbált megtervezni. Megfigyelte, hogy amikor a rekeszben lévő levegő rezonál, egy kis levegőáram is kilökődik belőle, amely gyenge, de észlelhető erőt adhat a szerkezetnek.
Az eredeti megfigyelés szerint ez az erő nem túl nagy, mert a nyomás alacsony; de ha a nyomást növelnénk, a kilövellt levegőáram olyan naggyá válhatna, hogy azt már gépek mozgatására lehetne használni. Ez a szemlélet adta az ötletet az apró, hatékony hajtástechnikához, amelyet a kutatók később felépítettek.
A kutatók rájöttek, hogy ha a Helmholtz-rezonátorokat még inkább összezsugorítják, akkor a frekvenciát ultrahangos tartományba kell hozni, amelyet az emberi fül már nem hall. Így a rendszert pontosan lehet fókuszálni és irányítani anélkül, hogy zajossá válna vagy kellemetlenséget okozna. Ehhez a rekeszeket kétfotonos nyomtatással hozták létre, és laboratóriumi tesztekkel, számítógépes szimulációkkal igazolták a várt tolóerőt.
Hajók, rakéták és mini helikopterek
A csapat olyan kis hajókat alkotott, amelyek körülbelül öt centiméteresek és több Rezonátorral vannak felszerelve, mindegyiket külön frekvenciára hangolták és különböző irányba irányították. A közeli hangszóró frekvenciájának módosításával a hajók balra, jobbra vagy előre haladhattak, miközben a hanghullámok hajtják meg a rendszert.
Rövidebb és még kisebb skálán pedig olyan mikrorepülőeszközöket építettek, amelyek csak néhány milliméteresek lehetnek: egy részük lefelé húzó tolóerőt ad, mások pedig lapátokat forognak, hogy a hanghullámokra reagálva repüljenek, mintha mini helikopterek lennének. A felépítés minden apró részlete a hangrezonancia pontos irányítására épül.
A technológia azért is ígéretes, mert kis méretéhez képest jelentős teljesítményt kínál. A hagyományos motoroknak megvan a maga méretkorlátja, hiszen mágnesek, tekercsek és tengelyek szükségesek hozzájuk, míg a rezonátorok egyszerűen csak precízen formázott üregek, így elméletben nincs számottevő kisméret-korlát a jövőben. A kutatók szerint ez a megközelítés hosszú távon lehetővé teheti, hogy a levegőben levő tárgyakat pontosan forgassák vagy olyan puha felületeket hozzanak létre, amelyek adott frekvenciára reagálva módosítják alakjukat, ami például orvosi alkalmazásokban, például szívstenteknél lehet hasznos.
A jelenlegi munka alapot teremt a további fejlesztésekhez
A vizsgálatok szerint ugyanez az elv lehetővé teheti, hogy a levegőben keringő, apró tárgyakat érintés nélkül pontosan forgassák és mozgatják őket, vagy hogy olyan puha felületeket hozzanak létre, amelyek adott frekvenciára reagálva meghajolnak vagy megváltoztatják alakjukat. Ezek a lehetőségek a biomedikai alkalmazásokban, például olyan eszközöknél vetődhetnek fel, amelyek kissé beavatkozó rendszereket igényelnek.
A kutatók hangsúlyozzák, hogy ez a tanulmány hosszabb távú alapot nyújt a további fejlesztésekhez. Úgy vélik, hogy a tervezési elveket most leírták, és a következő fázis gyakorlatiabban alkalmazhatóbb tervezéseket, vezérlési rendszereket és navigációs megoldásokat hozhat.
Jelenleg a következő lépések között szerepelhet a megoldások finomítása és a rendszerek hatékonyabb integrálása különböző alkalmazási szcenáriókba, legyen szó precíz irányításról vagy komplex navigációs algoritmusokról.
Tudományos források
A kutatást részletesen tárgyalja a Science Advances folyóiratban megjelent Acoustic resonators as wireless actuators in air for small-scale robots című munka, amely több szerző nevét sorolja fel és bemutatja az elméleti alapokat és a kísérleti eredményeket. A cikk kiemeli a Helmholtz-resonancián alapuló, vezeték nélküli aktívák szerepét a kis méretű robotok hajtásában és irányításában.
Az EPFL MICROBS projekt csapata vezette ezt a kutatást, amelyben több társ kutató vett részt és a kétfotonos nyomtatás technikája kulcsfontosságú volt az eszközök megvalósításához. A vizsgálat során laboratóriumi teszteket végeztek és számítógépes szimulációkat is alkalmaztak a tervezés és a működés megértése érdekében.
A tanulmány azt mutatja be, hogy a rezotrányos megközelítés lehetővé teszi a mikrorobotok jövőbeni alkalmazásait, és a kutatók szerint a további munkák a vezérlés, a navigáció és az alkalmazások terén fognak koncentrálódni, hogy valós, gyakorlati megoldások fejlődjenek ki belőle.
© EPFL/MICROBS
Forrás: LiveScience.com
