Dźwięk wydaje się jedynie przenosić informacje i tworzyć muzykę. Jednak inżynierowie z Laboratorium Systemów Mikrobirobotycznych EPFL wykazali, że fala dźwiękowa może stać się bezpośrednią siłą fizyczną wywołującą ruch.
Naukowcy opracowali miniaturowe urządzenia, które wznoszą się w powietrze pod wpływem ultradźwięków. Na ich pokładzie nie ma ani silnika, ani akumulatora: energia niezbędna do ruchu pochodzi z zewnątrz wraz z falą dźwiękową o określonej częstotliwości.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.
Jak rezonans zamienia się w ciąg
U podstaw konstrukcji leży rezonans Helmholtza — zjawisko fizyczne, które można zaobserwować, dmuchając w szyjkę pustej butelki. Powietrze wewnątrz wnęki zaczyna drgać, wzmacniając dźwięk o określonej częstotliwości.
Inżynierowie zastosowali tę samą zasadę do wywołania ruchu. Wydrukowali na drukarce 3D puste rezonatory o precyzyjnie obliczonej geometrii. Gdy na konstrukcję oddziałuje dźwięk o odpowiedniej częstotliwości, drgania powietrza wewnątrz wnęki ulegają wielokrotnemu wzmocnieniu.
Powietrze wydostaje się przez otwór wąskim, ukierunkowanym strumieniem, podczas gdy wraca do środka w sposób bardziej rozproszony. Powstająca asymetria strumieni powietrza wytwarza ciąg.
W ten sposób niewidzialna fala dźwiękowa zamienia się w ruch mechaniczny.
W przypadku prototypów latających zespół wykorzystał ultradźwięki o częstotliwości 40 kiloherców — powyżej zakresu ludzkiego słuchu. Nie słyszymy fali sterującej, jednak dla mikroskopijnego urządzenia staje się ona źródłem energii.
Od ziarenka do lotu
Naukowcy stworzyli dwa warianty urządzeń latających o różnych zasadach wznoszenia.
Pierwszy mikrolot waży zaledwie 150 mikrogramów. Trzy skierowane w dół rezonatory akustyczne wytwarzają ciąg, który pozwala konstrukcji pionowo oderwać się od powierzchni.
Drugi prototyp o masie 184 mikrograma przypomina trzyłopatowy wirnik śmigłowca. Rezonatory umieszczone u podstawy łopat wytwarzają ukierunkowany ciąg i wprawiają konstrukcję w ruch obrotowy z prędkością około 13 000 obrotów na minutę. Dzięki obrotom łopat powstaje aerodynamiczna siła nośna.
W ten sposób udało się zastosować tę samą zasadę fizyczną w dwóch różnych architekturach: do bezpośredniego pionowego wznoszenia oraz do ruchu obrotowego.
Łódź sterowana częstotliwościami
Eksperyment przeprowadzono również na powierzchni wody.
Naukowcy zainstalowali na miniaturowej łodzi kilka rezonatorów, z których każdy był dostrojony do własnej częstotliwości dźwięku. Aktywacja różnych wnęk pozwalała łodzi poruszać się do przodu i zmieniać kierunek.
Jest to jedna z najważniejszych właściwości tego rozwiązania: poszczególnymi elementami konstrukcji można sterować selektywnie. Jedna fala akustyczna przechodzi przez przestrzeń, ale reaguje na nią tylko rezonator dostrojony do odpowiedniej częstotliwości.
W rzeczywistości częstotliwość staje się bezprzewodową komendą ruchu.
Na razie to tylko dowód koncepcji
Technologia znajduje się na wczesnym etapie eksperymentalnym. Mikroloty wznoszą się zaledwie na kilka milimetrów i na razie nie są w stanie przenosić ładunku użytecznego.
Energia również nie powstaje wewnątrz urządzenia — przekazuje ją zewnętrzny głośnik lub emiter ultradźwięków. Dlatego nie mówimy tu o gotowych, autonomicznych dronach, lecz o dowodzie nowej zasady ruchu.
Jednak brak silnika pokładowego, przewodów i akumulatora może stać się zaletą tam, gdzie rozmiar i masa mają kluczowe znaczenie.
W przyszłości rezonatory akustyczne mogą znaleźć zastosowanie w mikrorobotyce, badaniu trudno dostępnych przestrzeni, precyzyjnych operacjach produkcyjnych oraz w bezdotykowym sterowaniu niewielkimi lub delikatnymi obiektami.
Materia, która usłyszała swoją częstotliwość
Najbardziej zdumiewający jest tu nie tylko mikroskopijny rozmiar stworzonych aparatów. Jest to zdolność formy do przyjęcia określonej częstotliwości i przekształcenia drgań w ukierunkowany ruch.
Ta sama fala akustyczna przechodzi przez powietrze w laboratorium. Ale odpowiadają na nią tylko struktury dostrojone do jej częstotliwości rezonansowej. Pozostałe pozostają nieruchome.
W tym odkryciu technologia styka się z jedną z fundamentalnych zasad natury: znaczenie ma nie tylko siła oddziaływania, ale także dopasowanie między falą a formą, która ją odbiera.
Forma spotyka się z dźwiękiem.
Dźwięk budzi zawarty w niej potencjał.
I materia zaczyna się poruszać.
W ten sposób stopniowo zmienia się nasze wyobrażenie o technologiach przyszłości. Uczymy się nie tylko umieszczać źródło energii wewnątrz każdego mechanizmu, ale także tworzyć formy zdolne do przyjmowania energii z otaczającej przestrzeni.
Czasami, aby zyskać skrzydła, materia nie potrzebuje więcej siły. Potrzebuje spotkać własną częstotliwość.
