Звук, казалось бы, лишь переносит информацию и создаёт музыку. Но инженеры из Лаборатории микробиороботических систем EPFL показали: звуковая волна способна становиться непосредственной физической силой движения.
Исследователи разработали миниатюрные аппараты, которые поднимаются в воздух под воздействием ультразвука. На их борту нет ни двигателя, ни аккумулятора: необходимая для движения энергия приходит извне вместе со звуковой волной определённой частоты.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Как резонанс превращается в тягу
В основе разработки лежит резонанс Гельмгольца — физический эффект, который можно наблюдать, если подуть поперёк горлышка пустой бутылки. Воздух внутри полости начинает колебаться, усиливая звук на определённой частоте.
Инженеры применили тот же принцип для создания движения. Они напечатали на 3D-принтере полые резонаторы с точно рассчитанной геометрией. Когда на конструкцию воздействует звук нужной частоты, колебания воздуха внутри полости многократно усиливаются.
Воздух выходит через отверстие узкой направленной струёй, тогда как возвращается внутрь более рассеянно. Возникающая асимметрия воздушных потоков создаёт тягу.
Так невидимая звуковая волна превращается в механическое движение.
Для летательных прототипов команда использовала ультразвук частотой 40 килогерц — выше диапазона человеческого слуха. Мы не слышим управляющую волну, однако для микроскопического аппарата она становится источником энергии.
От крупинки к полёту
Исследователи создали два варианта летательных устройств с разными принципами подъёма.
Первый микролёт весит всего 150 микрограммов. Три направленных вниз акустических резонатора создают тягу, позволяющую конструкции вертикально отрываться от поверхности.
Второй прототип весом 184 микрограмма напоминает трёхлопастной вертолётный ротор. Резонаторы, расположенные у основания лопастей, создают направленную тягу и раскручивают конструкцию примерно до 13 000 оборотов в минуту. Благодаря вращению лопастей возникает аэродинамическая подъёмная сила.
Таким образом, один и тот же физический принцип удалось применить в двух различных архитектурах: для прямого вертикального подъёма и для вращательного движения.
Лодка, управляемая частотами
Эксперимент провели и на поверхности воды.
Исследователи установили на миниатюрную лодку несколько резонаторов, каждый из которых был настроен на собственную звуковую частоту. Активация разных полостей позволяла лодке двигаться вперёд и изменять направление.
Это одно из важнейших свойств разработки: отдельными элементами конструкции можно управлять избирательно. Одна акустическая волна проходит через пространство, но откликается на неё только резонатор, настроенный на соответствующую частоту.
Фактически частота становится беспроводной командой движения.
Пока это доказательство концепции
Технология находится на раннем экспериментальном этапе. Микролёты поднимаются всего на несколько миллиметров и пока не способны переносить полезный груз.
Энергия также не рождается внутри устройства — её передаёт внешний громкоговоритель или ультразвуковой излучатель. Поэтому речь идёт не о готовых автономных дронах, а о доказательстве нового принципа движения.
Однако отсутствие бортового двигателя, проводов и аккумулятора может стать преимуществом там, где размеры и масса имеют решающее значение.
В перспективе акустические резонаторы могут применяться в микроробототехнике, при исследовании труднодоступных полостей, в точных производственных операциях и для бесконтактного управления небольшими или хрупкими объектами.
Материя, услышавшая свою частоту
Самое удивительное здесь — не только микроскопический размер созданных аппаратов. Это способность формы принять определённую частоту и преобразовать колебание в направленное движение.
Одна и та же акустическая волна проходит через воздух лаборатории. Но отвечают на неё лишь структуры, настроенные на её резонансную частоту. Остальные остаются неподвижными.
В этом открытии технология соприкасается с одним из фундаментальных принципов природы: значение имеет не только сила воздействия, но и соответствие между волной и воспринимающей её формой.
Форма встречается со звуком.
Звук пробуждает заключённую в ней возможность.
И материя начинает двигаться.
Так постепенно меняется наше представление о технологиях будущего. Мы учимся не только помещать источник энергии внутрь каждого механизма, но и создавать формы, способные принимать энергию из окружающего пространства.
Иногда, чтобы обрести крылья, материи нужно не больше силы. Ей нужно встретить собственную частоту.
