Звук, здавалося б, лише переносить інформацію та створює музику. Але інженери з Лабораторії мікробіороботичних систем EPFL показали: звукова хвиля здатна ставати безпосередньою фізичною силою руху.
Дослідники розробили мініатюрні апарати, які піднімаються в повітря під впливом ультразвуку. На їхньому борту немає ні двигуна, ні акумулятора: необхідна для руху енергія приходить ззовні разом зі звуковою хвилею певної частоти.
Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances.
Як резонанс перетворюється на тягу
В основі розробки лежить резонанс Гельмгольца — фізичний ефект, який можна спостерігати, якщо подути поперек шийки порожньої пляшки. Повітря всередині порожнини починає коливатися, посилюючи звук на певній частоті.
Інженери застосували той самий принцип для створення руху. Вони надрукували на 3D-принтері порожнисті резонатори з точно розрахованою геометрією. Коли на конструкцію впливає звук потрібної частоти, коливання повітря всередині порожнини багаторазово посилюються.
Повітря виходить через отвір вузьким спрямованим струменем, тоді як повертається всередину більш розсіяно. Асиметрія повітряних потоків, що виникає, створює тягу.
Так невидима звукова хвиля перетворюється на механічний рух.
Для літальних прототипів команда використовувала ультразвук частотою 40 кілогерц — вище діапазону людського слуху. Ми не чуємо керуючу хвилю, проте для мікроскопічного апарата вона стає джерелом енергії.
Від крупинки до польоту
Дослідники створили два варіанти літальних пристроїв з різними принципами підйому.
Перший мікроліт важить лише 150 мікрограмів. Три спрямовані вниз акустичні резонатори створюють тягу, що дозволяє конструкції вертикально відриватися від поверхні.
Другий прототип вагою 184 мікрограма нагадує трилопатевий вертолітний ротор. Резонатори, розташовані біля основи лопатей, створюють спрямовану тягу і розкручують конструкцію приблизно до 13 000 обертів на хвилину. Завдяки обертанню лопатей виникає аеродинамічна підіймальна сила.
Таким чином, один і той самий фізичний принцип вдалося застосувати у двох різних архітектурах: для прямого вертикального підйому та для обертального руху.
Човен, керований частотами
Експеримент провели і на поверхні води.
Дослідники встановили на мініатюрний човен кілька резонаторів, кожен з яких був налаштований на власну звукову частоту. Активація різних порожнин дозволяла човну рухатися вперед і змінювати напрямок.
Це одна з найважливіших властивостей розробки: окремими елементами конструкції можна керувати вибірково. Одна акустична хвиля проходить крізь простір, але відгукується на неї лише резонатор, налаштований на відповідну частоту.
Фактично частота стає бездротовою командою руху.
Поки що це доказ концепції
Технологія перебуває на ранньому експериментальному етапі. Мікролітальні апарати піднімаються лише на кілька міліметрів і поки що не здатні переносити корисний вантаж.
Енергія також не народжується всередині пристрою — її передає зовнішній гучномовець або ультразвуковий випромінювач. Тому мова йде не про готові автономні дрони, а про доказ нового принципу руху.
Однак відсутність бортового двигуна, дротів та акумулятора може стати перевагою там, де розміри та маса мають вирішальне значення.
У перспективі акустичні резонатори можуть застосовуватися в мікроробототехніці, при дослідженні важкодоступних порожнин, у точних виробничих операціях і для безконтактного керування невеликими або крихкими об'єктами.
Матерія, що почула свою частоту
Найдивовижніше тут — не лише мікроскопічний розмір створених апаратів. Це здатність форми прийняти певну частоту і перетворити коливання на спрямований рух.
Одна й та сама акустична хвиля проходить крізь повітря лабораторії. Але відповідають на неї лише структури, налаштовані на її резонансну частоту. Решта залишаються нерухомими.
У цьому відкритті технологія стикається з одним із фундаментальних принципів природи: значення має не лише сила впливу, а й відповідність між хвилею та формою, що її сприймає.
Форма зустрічається зі звуком.
Звук пробуджує укладену в ній можливість.
І матерія починає рухатися.
Так поступово змінюється наше уявлення про технології майбутнього. Ми вчимося не лише поміщати джерело енергії всередину кожного механізму, а й створювати форми, здатні приймати енергію з навколишнього простору.
Іноді, щоб отримати крила, матерії потрібно не більше сили. Їй потрібно зустріти власну частоту.
