يبدو أن الصوت لا يفعل شيئاً سوى نقل المعلومات وإبداع الموسيقى. لكن المهندسين في مختبر الأنظمة الميكروبيو-روبوتية في EPFL أظهروا أن الموجة الصوتية قادرة على أن تصبح قوة فيزيائية مباشرة للحركة.
طور الباحثون أجهزة متناهية الصغر ترتفع في الهواء تحت تأثير الموجات فوق الصوتية. لا يوجد على متنها محرك ولا بطارية؛ فالطاقة اللازمة للحركة تأتي من الخارج مع موجة صوتية ذات تردد معين.
نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Science Advances.
كيف يتحول الرنين إلى قوة دفع
يعتمد هذا التطوير على رنين هيلمهولتز ، وهو تأثير فيزيائي يمكن ملاحظته عند النفخ عبر فوهة زجاجة فارغة. يبدأ الهواء داخل التجويف بالاهتزاز، مما يؤدي إلى تضخيم الصوت عند تردد معين.
طبق المهندسون المبدأ نفسه لخلق الحركة؛ حيث قاموا بطباعة رنانات مجوفة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ذات هندسة محسوبة بدقة. وعندما يؤثر صوت بالتردد المطلوب على الهيكل، تتضاعف اهتزازات الهواء داخل التجويف عدة مرات.
يخرج الهواء عبر الفتحة في شكل نفاث ضيق وموجه، بينما يعود إلى الداخل بشكل أكثر تشتتاً. ويؤدي عدم التماثل الناتج في تدفقات الهواء إلى توليد قوة دفع.
وهكذا تتحول الموجة الصوتية غير المرئية إلى حركة ميكانيكية.
استخدم الفريق للنماذج الأولية الطائرة موجات فوق صوتية بتردد 40 كيلوهرتز ، وهو أعلى من نطاق السمع البشري. نحن لا نسمع الموجة المتحكمة، ولكنها تصبح مصدراً للطاقة بالنسبة للجهاز المجهري.
من الذرة إلى التحليق
ابتكر الباحثون نسختين من أجهزة الطيران بمبادئ رفع مختلفة.
تزن الطائرة الدقيقة الأولى 150 ميكروغرامات. وتولد ثلاثة رنانات صوتية موجهة نحو الأسفل قوة دفع تسمح للهيكل بالإقلاع عمودياً عن السطح.
أما النموذج الأولي الثاني الذي يزن 184 ميكروغراماً فيشبه دوار مروحية ثلاثي الشفرات. وتولد الرنانات الموجودة عند قاعدة الشفرات قوة دفع موجهة وتجعل الهيكل يدور بسرعة تصل إلى نحو 13 000 دورة في الدقيقة. وبفضل دوران الشفرات، تنشأ قوة رفع ديناميكية هوائية.
وهكذا، أمكن تطبيق المبدأ الفيزيائي نفسه في بنيتين مختلفتين: للرفع العمودي المباشر وللحركة الدورانية.
قارب يُوجه بالترددات
أُجريت التجربة أيضاً على سطح الماء.
فقد ثبت الباحثون عدة رنانات على قارب صغير، ضُبط كل منها على تردد صوتي خاص به. وسمح تفعيل التجاويف المختلفة للقارب بالتحرك إلى الأمام وتغيير اتجاهه.
وتعد هذه إحدى أهم سمات هذا التطوير: إذ يمكن التحكم في عناصر الهيكل الفردية بشكل انتقائي. فبينما تمر موجة صوتية واحدة عبر الفضاء، لا يستجيب لها إلا الرنان المضبوط على التردد المقابل.
وفي واقع الأمر، يصبح التردد أمراً لاسلكياً للحركة.
لا يزال الأمر مجرد إثبات للمفهوم حتى الآن
لا تزال هذه التقنية في مرحلة تجريبية مبكرة. فآلات الطيران الدقيقة لا ترتفع إلا بضعة مليمترات، وهي غير قادرة بعد على حمل أي حمولة مفيدة.
كما أن الطاقة لا تتولد داخل الجهاز، بل ينقلها مكبر صوت خارجي أو باعث للموجات فوق الصوتية. لذا، نحن لا نتحدث عن طائرات مسيرة ذاتية القيادة جاهزة، بل عن إثبات لمبدأ حركة جديد.
ومع ذلك، فإن غياب المحرك والأسلاك والبطارية على متن الجهاز يمكن أن يصبح ميزة في الحالات التي يكون فيها الحجم والكتلة أمرين حاسمين.
وفي المستقبل، يمكن استخدام الرنانات الصوتية في الروبوتات الدقيقة، وفي استكشاف التجاويف التي يصعب الوصول إليها، وفي عمليات التصنيع الدقيقة، وللتحكم دون تلامس في الأجسام الصغيرة أو الهشة.
المادة التي سمعت ترددها
إن الأمر الأكثر إثارة للدهشة هنا ليس مجرد الحجم المجهري للأجهزة المبتكرة، بل هو قدرة الشكل على استقبال تردد معين وتحويل الاهتزاز إلى حركة موجهة.
تمر الموجة الصوتية نفسها عبر هواء المختبر، لكن لا تستجيب لها إلا الهياكل المضبوطة على تردد رنينها، بينما تظل الهياكل الأخرى ساكنة.
في هذا الاكتشاف، تلامس التكنولوجيا أحد المبادئ الأساسية للطبيعة: فليس المهم قوة التأثير فحسب، بل التوافق بين الموجة والشكل الذي يستقبلها.
يلتقي الشكل بالصوت.
فيوقظ الصوت الإمكانات الكامنة فيه.
وتبدأ المادة في الحركة.
وهكذا تتغير نظرتنا إلى تقنيات المستقبل تدريجياً. فنحن لا نتعلم فقط كيفية وضع مصدر للطاقة داخل كل آلية، بل نتعلم أيضاً ابتكار أشكال قادرة على استقبال الطاقة من الفضاء المحيط بها.
أحياناً، لكي تكتسب المادة أجنحة، فهي لا تحتاج إلى مزيد من القوة، بل تحتاج فقط إلى أن تلتقي بترددها الخاص.
