Il suono, apparentemente, trasporta solo informazioni e crea musica. Ma gli ingegneri del Laboratorio di sistemi microrobotici dell'EPFL hanno dimostrato che un'onda sonora può diventare una forza fisica diretta di movimento.
I ricercatori hanno sviluppato dispositivi in miniatura che si sollevano in volo sotto l'influenza degli ultrasuoni. A bordo non hanno né motore né batteria: l'energia necessaria per il movimento proviene dall'esterno insieme all'onda sonora di una determinata frequenza.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.
Come la risonanza si trasforma in spinta
Alla base dello sviluppo c'è la risonanza di Helmholtz — un effetto fisico che si può osservare soffiando sul collo di una bottiglia vuota. L'aria all'interno della cavità inizia a vibrare, amplificando il suono a una determinata frequenza.
Gli ingegneri hanno applicato lo stesso principio per creare movimento. Hanno stampato in 3D risonatori cavi con una geometria calcolata con precisione. Quando la struttura viene colpita da un suono della frequenza corretta, le vibrazioni dell'aria all'interno della cavità vengono amplificate ripetutamente.
L'aria esce attraverso l'apertura in un getto stretto e direzionale, mentre rientra in modo più diffuso. L'asimmetria risultante dei flussi d'aria crea una spinta.
Così, un'onda sonora invisibile si trasforma in movimento meccanico.
Per i prototipi di volo, il team ha utilizzato ultrasuoni con una frequenza di 40 kilohertz — al di sopra della gamma dell'udito umano. Noi non sentiamo l'onda di controllo, tuttavia per il dispositivo microscopico essa diventa una fonte di energia.
Dal granello al volo
I ricercatori hanno creato due varianti di dispositivi di volo con diversi principi di sollevamento.
Il primo micro-velivolo pesa solo 150 microgrammi. Tre risonatori acustici rivolti verso il basso generano una spinta che permette alla struttura di staccarsi verticalmente dalla superficie.
Il secondo prototipo, del peso di 184 microgrammi , ricorda un rotore di elicottero a tre pale. I risonatori, posizionati alla base delle pale, creano una spinta direzionale e fanno ruotare la struttura a circa 13 000 giri al minuto. Grazie alla rotazione delle pale, si genera una forza di portanza aerodinamica.
In questo modo, lo stesso principio fisico è stato applicato con successo a due diverse architetture: per il sollevamento verticale diretto e per il movimento rotatorio.
Un'imbarcazione guidata dalle frequenze
L'esperimento è stato condotto anche sulla superficie dell'acqua.
I ricercatori hanno installato su una barca in miniatura diversi risonatori, ognuno dei quali sintonizzato su una specifica frequenza sonora. L'attivazione di diverse cavità permetteva alla barca di avanzare e cambiare direzione.
Questa è una delle proprietà più importanti dello sviluppo: è possibile controllare selettivamente i singoli elementi della struttura. Un'onda acustica attraversa lo spazio, ma solo il risonatore sintonizzato sulla frequenza corrispondente reagisce ad essa.
Di fatto, la frequenza diventa un comando di movimento wireless.
Per ora si tratta di una prova di concetto
La tecnologia si trova in una fase sperimentale iniziale. I micro-velivoli si sollevano solo di pochi millimetri e non sono ancora in grado di trasportare un carico utile.
Anche l'energia non viene generata all'interno del dispositivo: è trasmessa da un altoparlante esterno o da un emettitore di ultrasuoni. Pertanto, non si parla di droni autonomi pronti all'uso, ma della dimostrazione di un nuovo principio di movimento.
Tuttavia, l'assenza di un motore di bordo, di cavi e di una batteria può diventare un vantaggio laddove dimensioni e peso sono fattori decisivi.
In prospettiva, i risonatori acustici potrebbero trovare applicazione nella microrobotica, nell'esplorazione di cavità difficili da raggiungere, in operazioni di produzione di precisione e per il controllo senza contatto di oggetti piccoli o fragili.
La materia che ha ascoltato la propria frequenza
La cosa più sorprendente qui non è solo la dimensione microscopica degli apparati creati. È la capacità della forma di accogliere una determinata frequenza e trasformare l'oscillazione in un movimento direzionale.
La stessa onda acustica attraversa l'aria del laboratorio. Ma a rispondere sono solo le strutture sintonizzate sulla sua frequenza di risonanza. Le altre rimangono immobili.
In questa scoperta, la tecnologia entra in contatto con uno dei principi fondamentali della natura: ciò che conta non è solo la forza dell'impatto, ma la corrispondenza tra l'onda e la forma che la riceve.
La forma incontra il suono.
Il suono risveglia la possibilità in essa racchiusa.
E la materia inizia a muoversi.
Così cambia gradualmente la nostra concezione delle tecnologie del futuro. Impariamo non solo a inserire una fonte di energia all'interno di ogni meccanismo, ma anche a creare forme capaci di accogliere l'energia dallo spazio circostante.
A volte, per trovare le ali, alla materia non serve più forza. Le serve incontrare la propria frequenza.
