Âm thanh, tưởng chừng chỉ truyền tải thông tin và tạo ra âm nhạc. Nhưng các kỹ sư từ Phòng thí nghiệm Hệ thống Robot vi sinh EPFL đã chứng minh: sóng âm có khả năng trở thành lực vật lý trực tiếp tạo ra chuyển động.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển những thiết bị tí hon có thể bay lên không trung dưới tác động của sóng siêu âm. Trên thân máy không có động cơ hay pin: năng lượng cần thiết cho chuyển động đến từ bên ngoài cùng với sóng âm ở một tần số nhất định.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances.
Cộng hưởng biến thành lực đẩy như thế nào
Nền tảng của sự phát triển này nằm ở cộng hưởng Helmholtz — một hiệu ứng vật lý có thể quan sát được khi thổi ngang qua miệng một cái chai rỗng. Không khí bên trong khoang bắt đầu dao động, khuếch đại âm thanh ở một tần số nhất định.
Các kỹ sư đã áp dụng nguyên lý tương tự để tạo ra chuyển động. Họ in 3D các bộ cộng hưởng rỗng với hình học được tính toán chính xác. Khi âm thanh ở tần số cần thiết tác động lên cấu trúc, các dao động không khí bên trong khoang được khuếch đại lên nhiều lần.
Không khí thoát ra qua lỗ hổng thành một luồng hẹp có hướng, trong khi quay trở lại bên trong một cách phân tán hơn. Sự bất đối xứng của các luồng không khí tạo ra lực đẩy.
Như vậy, sóng âm vô hình biến thành chuyển động cơ học.
Đối với các nguyên mẫu bay, nhóm nghiên cứu đã sử dụng sóng siêu âm với tần số 40 kilohertz — cao hơn ngưỡng nghe của con người. Chúng ta không nghe thấy sóng điều khiển, tuy nhiên đối với thiết bị siêu nhỏ, nó trở thành nguồn năng lượng.
Từ hạt bụi đến chuyến bay
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra hai phiên bản thiết bị bay với các nguyên lý nâng khác nhau.
Chiếc máy bay siêu nhỏ đầu tiên chỉ nặng 150 microgram. Ba bộ cộng hưởng âm thanh hướng xuống dưới tạo ra lực đẩy, cho phép cấu trúc cất cánh thẳng đứng khỏi bề mặt.
Nguyên mẫu thứ hai nặng 184 microgram gợi nhớ đến cánh quạt trực thăng ba cánh. Các bộ cộng hưởng, được đặt ở chân cánh, tạo ra lực đẩy có hướng và làm quay cấu trúc với tốc độ khoảng 13 000 vòng/phút. Nhờ sự quay của các cánh, lực nâng khí động học được tạo ra.
Như vậy, cùng một nguyên lý vật lý đã được áp dụng thành công trong hai cấu trúc khác nhau: để nâng thẳng đứng trực tiếp và để tạo chuyển động quay.
Chiếc thuyền được điều khiển bằng tần số
Thí nghiệm cũng đã được thực hiện trên mặt nước.
Các nhà nghiên cứu đã lắp đặt trên một chiếc thuyền thu nhỏ một vài bộ cộng hưởng, mỗi bộ được điều chỉnh theo tần số âm thanh riêng. Việc kích hoạt các khoang khác nhau cho phép chiếc thuyền di chuyển về phía trước và thay đổi hướng.
Đây là một trong những đặc tính quan trọng nhất của công trình: các phần tử riêng lẻ của cấu trúc có thể được điều khiển một cách chọn lọc. Một sóng âm truyền qua không gian, nhưng chỉ bộ cộng hưởng được điều chỉnh theo tần số tương ứng mới phản hồi lại nó.
Trên thực tế, tần số trở thành một lệnh điều khiển chuyển động không dây.
Đây mới chỉ là bằng chứng về khái niệm
Công nghệ này đang ở giai đoạn thử nghiệm ban đầu. Các thiết bị bay siêu nhỏ chỉ bay lên được vài milimet và chưa thể mang theo tải trọng hữu ích.
Năng lượng cũng không được tạo ra bên trong thiết bị — nó được truyền từ một loa ngoài hoặc bộ phát sóng siêu âm. Do đó, đây không phải là những chiếc máy bay không người lái tự hành hoàn chỉnh, mà là bằng chứng về một nguyên lý chuyển động mới.
Tuy nhiên, việc không có động cơ, dây dẫn và pin trên bo mạch có thể trở thành một lợi thế ở những nơi mà kích thước và khối lượng là yếu tố quyết định.
Trong tương lai, các bộ cộng hưởng âm thanh có thể được ứng dụng trong lĩnh vực vi robot, khi thăm dò các khoang khó tiếp cận, trong các hoạt động sản xuất chính xác và để điều khiển không tiếp xúc các vật thể nhỏ hoặc dễ vỡ.
Vật chất lắng nghe tần số của chính nó
Điều đáng kinh ngạc nhất ở đây không chỉ là kích thước siêu nhỏ của các thiết bị được tạo ra. Đó là khả năng của hình dạng trong việc tiếp nhận một tần số nhất định và chuyển đổi dao động thành chuyển động có hướng.
Cùng một sóng âm truyền qua không khí trong phòng thí nghiệm. Nhưng chỉ những cấu trúc được điều chỉnh theo tần số cộng hưởng của nó mới phản hồi lại. Những cấu trúc còn lại vẫn đứng yên.
Trong khám phá này, công nghệ chạm đến một trong những nguyên lý cơ bản của tự nhiên: điều quan trọng không chỉ là lực tác động, mà còn là sự tương thích giữa sóng và hình dạng tiếp nhận nó.
Hình dạng gặp gỡ âm thanh.
Âm thanh đánh thức khả năng tiềm ẩn trong đó.
Và vật chất bắt đầu chuyển động.
Như vậy, quan niệm của chúng ta về công nghệ tương lai đang dần thay đổi. Chúng ta không chỉ học cách đặt nguồn năng lượng vào bên trong mỗi cơ chế, mà còn học cách tạo ra những hình dạng có khả năng tiếp nhận năng lượng từ không gian xung quanh.
Đôi khi, để có được đôi cánh, vật chất không cần thêm sức mạnh. Nó chỉ cần gặp được tần số của chính mình.
