Le son semble ne servir qu'à transporter des informations et à créer de la musique. Mais des ingénieurs du Laboratoire de microrobotique de l'EPFL ont démontré qu'une onde sonore peut devenir une force physique motrice directe.
Les chercheurs ont mis au point des appareils miniatures qui s'élèvent dans les airs sous l'effet des ultrasons. Ils ne possèdent ni moteur ni batterie : l'énergie nécessaire à leur mouvement provient de l'extérieur, portée par une onde sonore d'une fréquence déterminée.
Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Science Advances.
Comment la résonance se transforme en poussée
La conception repose sur la résonance de Helmholtz — un phénomène physique que l'on peut observer en soufflant sur le goulot d'une bouteille vide. L'air à l'intérieur de la cavité se met à osciller, amplifiant le son à une fréquence précise.
Les ingénieurs ont appliqué ce même principe pour générer du mouvement. Ils ont imprimé en 3D des résonateurs creux à la géométrie calculée avec précision. Lorsque la structure est soumise à un son de la fréquence appropriée, les oscillations de l'air à l'intérieur de la cavité sont amplifiées de manière répétée.
L'air s'échappe par l'ouverture sous forme d'un jet étroit et directionnel, tandis qu'il revient à l'intérieur de manière plus diffuse. L'asymétrie des flux d'air qui en résulte crée une poussée.
C'est ainsi qu'une onde sonore invisible se transforme en mouvement mécanique.
Pour les prototypes volants, l'équipe a utilisé des ultrasons d'une fréquence de 40 kilohertz — au-delà de la gamme de l'audition humaine. Nous n'entendons pas l'onde de commande, mais pour l'appareil microscopique, elle devient une source d'énergie.
D'un grain au vol
Les chercheurs ont créé deux variantes de dispositifs volants basés sur des principes de sustentation différents.
Le premier micro-aéronef pèse seulement 150 microgrammes. Trois résonateurs acoustiques orientés vers le bas créent une poussée qui permet à la structure de décoller verticalement de la surface.
Le second prototype, d'un poids de 184 microgrammes , ressemble à un rotor d'hélicoptère à trois pales. Les résonateurs, situés à la base des pales, génèrent une poussée directionnelle et font tourner la structure à environ 13 000 tours par minute. La rotation des pales génère une force de portance aérodynamique.
Ainsi, le même principe physique a pu être appliqué à deux architectures différentes : pour une ascension verticale directe et pour un mouvement de rotation.
Un bateau piloté par les fréquences
L'expérience a également été menée à la surface de l'eau.
Les chercheurs ont installé sur un bateau miniature plusieurs résonateurs, chacun étant réglé sur sa propre fréquence sonore. L'activation de différentes cavités permettait au bateau d'avancer et de changer de direction.
C'est l'une des propriétés les plus importantes de cette invention : il est possible de contrôler sélectivement des éléments individuels de la structure. Une onde acoustique traverse l'espace, mais seul le résonateur réglé sur la fréquence correspondante y répond.
En fait, la fréquence devient une commande de mouvement sans fil.
Pour l'instant, il s'agit d'une preuve de concept
La technologie en est à un stade expérimental précoce. Les micro-aéronefs ne s'élèvent que de quelques millimètres et ne sont pas encore capables de transporter une charge utile.
L'énergie ne naît pas non plus à l'intérieur du dispositif ; elle est transmise par un haut-parleur externe ou un émetteur à ultrasons. Il ne s'agit donc pas de drones autonomes prêts à l'emploi, mais de la démonstration d'un nouveau principe de propulsion.
Cependant, l'absence de moteur embarqué, de câbles et de batterie peut devenir un avantage là où la taille et la masse sont des facteurs décisifs.
À terme, les résonateurs acoustiques pourraient être utilisés en microrobotique, pour l'exploration de cavités difficiles d'accès, dans des opérations de production de précision et pour le contrôle sans contact d'objets petits ou fragiles.
La matière qui a entendu sa fréquence
Le plus surprenant ici n'est pas seulement la taille microscopique des appareils créés. C'est la capacité d'une forme à adopter une fréquence déterminée et à transformer une oscillation en un mouvement dirigé.
Une même onde acoustique traverse l'air du laboratoire. Mais seules les structures réglées sur sa fréquence de résonance y répondent. Les autres restent immobiles.
Dans cette découverte, la technologie rejoint l'un des principes fondamentaux de la nature : ce qui importe n'est pas seulement la force de l'impact, mais la correspondance entre l'onde et la forme qui la reçoit.
La forme rencontre le son.
Le son éveille la possibilité qu'elle recèle.
Et la matière se met en mouvement.
Ainsi, notre conception des technologies du futur change progressivement. Nous apprenons non seulement à placer une source d'énergie à l'intérieur de chaque mécanisme, mais aussi à créer des formes capables de recevoir de l'énergie de l'espace environnant.
Parfois, pour se donner des ailes, la matière n'a pas besoin de plus de force. Il lui suffit de rencontrer sa propre fréquence.
