Geluid lijkt slechts informatie over te dragen en muziek te creëren. Maar ingenieurs van het Laboratory of Micro-Robotic Systems van de EPFL hebben aangetoond dat een geluidsgolf een directe fysieke bewegingskracht kan worden.
De onderzoekers hebben miniatuurapparaten ontwikkeld die door middel van ultrasoon geluid de lucht in gaan. Ze hebben geen motor of batterij aan boord: de energie die nodig is voor de beweging komt van buitenaf, samen met de geluidsgolf van een specifieke frequentie.
De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
Hoe resonantie verandert in stuwkracht
Aan de basis van de ontwikkeling ligt Helmholtz-resonantie — een natuurkundig effect dat je kunt waarnemen als je over de hals van een lege fles blaast. De lucht in de holte begint te trillen, waardoor het geluid op een bepaalde frequentie wordt versterkt.
Ingenieurs pasten hetzelfde principe toe om beweging te creëren. Ze printten met een 3D-printer holle resonatoren met een nauwkeurig berekende geometrie. Wanneer de constructie wordt blootgesteld aan geluid van de juiste frequentie, worden de luchttrillingen in de holte vele malen versterkt.
De lucht komt via de opening naar buiten als een smalle, gerichte straal, terwijl deze meer verspreid weer naar binnen stroomt. De resulterende asymmetrie van de luchtstromen creëert stuwkracht.
Zo verandert een onzichtbare geluidsgolf in mechanische beweging.
Voor de vliegende prototypes gebruikte het team ultrasoon geluid met een frequentie van 40 kilohertz — boven het bereik van het menselijk gehoor. Wij horen de sturende golf niet, maar voor het microscopische apparaat wordt deze een energiebron.
Van korrel tot vlucht
De onderzoekers creëerden twee varianten van vliegende apparaten met verschillende principes voor het opstijgen.
De eerste micro-vlieger weegt slechts 150 microgram. Drie naar beneden gerichte akoestische resonatoren creëren stuwkracht, waardoor de constructie verticaal van het oppervlak loskomt.
Het tweede prototype met een gewicht van 184 microgram doet denken aan een helikopterrotor met drie bladen. De resonatoren, die zich aan de basis van de bladen bevinden, creëren gerichte stuwkracht en laten de constructie ronddraaien tot ongeveer 13 000 toeren per minuut. Dankzij de rotatie van de bladen ontstaat er aerodynamische lift.
Op deze manier kon hetzelfde natuurkundige principe worden toegepast in twee verschillende architecturen: voor directe verticale stijging en voor roterende beweging.
Een boot bestuurd door frequenties
Het experiment werd ook op het wateroppervlak uitgevoerd.
De onderzoekers installeerden verschillende resonatoren op een miniatuurboot, elk afgesteld op een eigen geluidsfrequentie. Het activeren van verschillende holtes stelde de boot in staat om vooruit te bewegen en van richting te veranderen.
Dit is een van de belangrijkste eigenschappen van de ontwikkeling: individuele elementen van de constructie kunnen selectief worden aangestuurd. Eén akoestische golf gaat door de ruimte, maar alleen de resonator die op de bijbehorende frequentie is afgesteld, reageert erop.
In feite wordt de frequentie een draadloos bewegingscommando.
Voorlopig is dit een bewijs van concept
De technologie bevindt zich in een vroeg experimenteel stadium. De micro-vliegtuigjes stijgen slechts enkele millimeters op en zijn vooralsnog niet in staat om een nuttige lading te vervoeren.
De energie wordt ook niet binnenin het apparaat opgewekt — deze wordt overgedragen door een externe luidspreker of ultrasone zender. Daarom gaat het hier niet om kant-en-klare autonome drones, maar om het bewijs van een nieuw bewegingsprincipe.
Het ontbreken van een motor, bedrading en accu aan boord kan echter een voordeel zijn in situaties waar afmetingen en gewicht van cruciaal belang zijn.
In de toekomst kunnen akoestische resonatoren worden toegepast in de microrobotica, bij het onderzoeken van moeilijk bereikbare holtes, bij nauwkeurige productieprocessen en voor het contactloos aansturen van kleine of kwetsbare objecten.
Materie die haar eigen frequentie hoort
Het meest verbazingwekkende hier is niet alleen de microscopische omvang van de gecreëerde apparaten. Het is het vermogen van de vorm om een bepaalde frequentie aan te nemen en trillingen om te zetten in gerichte beweging.
Dezelfde akoestische golf gaat door de lucht in het laboratorium. Maar alleen de structuren die op de resonantiefrequentie zijn afgesteld, reageren erop. De rest blijft onbeweeglijk.
In deze ontdekking raakt technologie aan een van de fundamentele principes van de natuur: het gaat niet alleen om de kracht van de impact, maar ook om de afstemming tussen de golf en de vorm die deze ontvangt.
Vorm ontmoet geluid.
Geluid wekt de mogelijkheid die erin besloten ligt.
En materie begint te bewegen.
Zo verandert ons beeld van de technologie van de toekomst geleidelijk. We leren niet alleen om een energiebron in elk mechanisme te plaatsen, maar ook om vormen te creëren die in staat zijn energie uit de omringende ruimte op te nemen.
Soms heeft materie niet meer kracht nodig om vleugels te krijgen. Ze moet haar eigen frequentie ontmoeten.
