Forskare vid det schweiziska tekniska universitetet EPFL har utvecklat små robotar som kan förflytta sig med hjälp av ljudvågor i stället för traditionella motorer. Tekniken har testats både i små båtar och i extremt lätta flygande mikrofarkoster.
I stället för motorer, växlar och elektronik använder robotarna små hålrum som är utformade för att reagera på särskilda ljudfrekvenser. När ljudet träffar rätt frekvens börjar luften inne i hålrummen att svänga. Det skapar en riktad luftström som kan användas för att flytta roboten.
Ljudet förvandlas till riktad kraft
Principen bygger på ett fenomen som kallas Helmholtzresonans. Samma fysik kan upplevas när man blåser över öppningen på en flaska och får fram en ton. Luften inne i flaskan börjar då oscillera vid en bestämd frekvens.
EPFL-forskarna har byggt mycket mindre resonanskammare där ljudvågor får luften att röra sig fram och tillbaka. När luften pressas ut ur öppningen bildas en koncentrerad jetstråle. Den inkommande luften är mer utspridd, vilket skapar en obalans och därmed dragkraft.
På så sätt fungerar själva robotens struktur som ett slags motor. Resonanskammaren kan tillverkas av material som plast från 3D-skrivare, elastiska polymerer eller glas. Det gör tekniken intressant för konstruktioner där vanliga motorer blir för stora eller tunga.
Små båtar styrs med olika ljudfrekvenser
I ett första experiment byggde forskarna små båtar i centimeterstorlek. Båtarna kunde utrustas med upp till tre resonanskammare. Varje kammare var inställd på en egen hörbar ljudfrekvens och placerad så att den drev båten i en viss riktning.
Genom att ändra tonhöjden från en extern högtalare kunde forskarna aktivera en kammare i taget. Båten kunde då röra sig framåt, svänga och styras runt hinder. Forskarna kunde även programmera rörelsemönster som gjorde att båtarna navigerade längs en bestämd bana.
Det är en viktig skillnad mot vanlig akustisk levitation, där ljudvågor används för att hålla ett passivt föremål svävande. I EPFL konstruktioner omvandlas ljudet i stället till en kraft som får själva farkosten att röra sig.
Flygande mikrofarkoster väger mindre än ett milligram
Forskarna använde därefter 3D-nanoprintning för att bygga flygande mikrofarkoster, så kallade mikrofliers. Tre mikroskopiska resonanskammare integrerades direkt i farkosternas polymerstruktur.
Till skillnad från båtarna drevs mikrofarkosterna med ultraljud, alltså frekvenser som människan inte kan höra. En av konstruktionerna vägde endast 150 mikrogram, motsvarande 0,15 milligram. Resonanskammarna skapade en kraft rakt uppåt, ungefär som hos en mycket liten raket.
En annan modell kombinerade ljuddrivna resonatorer med små blad. Bladen kunde rotera med upp till 13 000 varv per minut och skapa ett stabilt lyft som påminner om en helikopter. Trots den mycket lilla storleken kunde farkosten alltså hålla sig i luften utan en traditionell elmotor.
Utan motor ombord – men inte utan extern utrustning
Att robotarna saknar motorer och elektronik ombord betyder inte att de kan flyga helt självständigt var som helst. Energin kommer fortfarande från en extern ljudkälla, exempelvis en högtalare eller en ultraljudssändare.
Det innebär att tekniken ännu befinner sig på experimentstadiet. Räckvidden, kontrollen och förmågan att bära nyttolast behöver förbättras innan ljudstyrda mikrorobotar kan användas utanför laboratoriet.
Samtidigt visar resultaten att ljud kan användas som en trådlös styrsignal för mycket små mekaniska system. Genom att ge olika delar av en flexibel robot varsin resonansfrekvens skulle specifika delar kunna röra sig, böjas eller vibrera när rätt ljud aktiveras.
En ny väg för framtidens mikrorobotar
På längre sikt kan tekniken bidra till robotar som inspekterar trånga utrymmen, manipulerar mycket små objekt eller reagerar på ljud utan inbyggda motorer. Även medicinska mikrosystem har nämnts som ett möjligt framtida användningsområde, men några färdiga produkter finns ännu inte.
Nästa steg blir att skapa bättre kontroll, större lyftkraft och längre räckvidd. Forskarna behöver också visa hur ljudstyrningen kan kombineras med sensorer och andra funktioner. Än så länge är den viktigaste demonstrationen att en noggrant formad struktur kan fungera som både resonator och framdrivningssystem.
Källor för publiceringen: