Schall scheint lediglich Informationen zu übertragen und Musik zu erzeugen. Doch Ingenieure des Labors für mikrobiorobotische Systeme der EPFL haben gezeigt: Eine Schallwelle kann zu einer unmittelbaren physikalischen Antriebskraft werden.
Die Forscher entwickelten Miniaturgeräte, die unter dem Einfluss von Ultraschall in die Luft aufsteigen. An Bord befinden sich weder ein Motor noch ein Akku: Die für die Bewegung erforderliche Energie kommt von außen, zusammen mit der Schallwelle einer bestimmten Frequenz.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Science Advancesveröffentlicht.
Wie Resonanz zu Schub wird
Der Entwicklung liegt die Helmholtz-Resonanz zugrunde – ein physikalischer Effekt, den man beobachten kann, wenn man über den Flaschenhals einer leeren Flasche bläst. Die Luft im Inneren des Hohlraums beginnt zu schwingen und verstärkt den Schall bei einer bestimmten Frequenz.
Die Ingenieure wandten dasselbe Prinzip an, um Bewegung zu erzeugen. Sie druckten hohle Resonatoren mit präzise berechneter Geometrie im 3D-Druckverfahren. Wenn die Konstruktion mit Schall der richtigen Frequenz beaufschlagt wird, verstärken sich die Luftschwingungen im Inneren des Hohlraums um ein Vielfaches.
Die Luft tritt durch die Öffnung als schmaler, gerichteter Strahl aus, während sie gestreuter wieder zurückströmt. Die entstehende Asymmetrie der Luftströme erzeugt Schub.
So verwandelt sich eine unsichtbare Schallwelle in mechanische Bewegung.
Für die Flugprototypen verwendete das Team Ultraschall mit einer Frequenz von 40 Kilohertz – oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Wir hören die Steuerwelle nicht, doch für das mikroskopische Gerät wird sie zur Energiequelle.
Vom Körnchen zum Flug
Die Forscher entwickelten zwei Varianten von Fluggeräten mit unterschiedlichen Auftriebsprinzipien.
Der erste Mikroflieger wiegt nur 150 Mikrogramm. Drei nach unten gerichtete akustische Resonatoren erzeugen einen Schub, der es der Konstruktion ermöglicht, senkrecht von der Oberfläche abzuheben.
Der zweite Prototyp mit einem Gewicht von 184 Mikrogramm erinnert an einen Dreiblatt-Hubschrauberrotor. Die an der Basis der Rotorblätter angebrachten Resonatoren erzeugen einen gerichteten Schub und versetzen die Konstruktion in eine Rotation von etwa 13 000 Umdrehungen pro Minute. Durch die Drehung der Rotorblätter entsteht ein aerodynamischer Auftrieb.
Auf diese Weise konnte dasselbe physikalische Prinzip in zwei verschiedenen Architekturen angewandt werden: für den direkten vertikalen Auftrieb und für die Drehbewegung.
Ein Boot, gesteuert durch Frequenzen
Das Experiment wurde auch auf der Wasseroberfläche durchgeführt.
Die Forscher installierten mehrere Resonatoren auf einem Miniaturboot, von denen jeder auf eine eigene Schallfrequenz abgestimmt war. Die Aktivierung verschiedener Hohlräume ermöglichte es dem Boot, sich vorwärts zu bewegen und die Richtung zu ändern.
Dies ist eine der wichtigsten Eigenschaften der Entwicklung: Einzelne Elemente der Konstruktion können gezielt angesteuert werden. Eine akustische Welle durchläuft den Raum, aber nur der Resonator, der auf die entsprechende Frequenz eingestellt ist, reagiert darauf.
Tatsächlich wird die Frequenz zu einem drahtlosen Bewegungsbefehl.
Bisher ist dies ein Machbarkeitsnachweis
Die Technologie befindet sich in einem frühen experimentellen Stadium. Die Mikrofluggeräte steigen nur wenige Millimeter auf und sind noch nicht in der Lage, eine Nutzlast zu befördern.
Auch die Energie entsteht nicht im Inneren des Geräts – sie wird von einem externen Lautsprecher oder Ultraschallstrahler übertragen. Daher handelt es sich nicht um fertige autonome Drohnen, sondern um den Nachweis eines neuen Bewegungsprinzips.
Das Fehlen eines bordeigenen Motors, von Kabeln und eines Akkus kann jedoch dort von Vorteil sein, wo Größe und Gewicht entscheidend sind.
In Zukunft könnten akustische Resonatoren in der Mikrorobotik, bei der Untersuchung schwer zugänglicher Hohlräume, bei präzisen Fertigungsvorgängen und zur berührungslosen Steuerung kleiner oder zerbrechlicher Objekte eingesetzt werden.
Materie, die ihre eigene Frequenz hört
Das Erstaunlichste hierbei ist nicht nur die mikroskopische Größe der geschaffenen Apparate. Es ist die Fähigkeit der Form, eine bestimmte Frequenz aufzunehmen und die Schwingung in eine gerichtete Bewegung umzuwandeln.
Dieselbe akustische Welle durchläuft die Luft des Labors. Doch nur die Strukturen, die auf ihre Resonanzfrequenz abgestimmt sind, reagieren darauf. Die übrigen bleiben unbewegt.
Bei dieser Entdeckung berührt die Technologie eines der grundlegenden Prinzipien der Natur: Es kommt nicht nur auf die Stärke der Einwirkung an, sondern auch auf die Übereinstimmung zwischen der Welle und der Form, die sie empfängt.
Die Form trifft auf den Klang.
Der Klang erweckt die in ihr schlummernde Möglichkeit.
Und die Materie beginnt sich zu bewegen.
So wandelt sich allmählich unsere Vorstellung von den Technologien der Zukunft. Wir lernen, nicht nur die Energiequelle in jeden Mechanismus zu integrieren, sondern auch Formen zu schaffen, die in der Lage sind, Energie aus dem umgebenden Raum aufzunehmen.
Manchmal braucht die Materie nicht mehr Kraft, um Flügel zu bekommen. Sie muss nur ihrer eigenen Frequenz begegnen.
