Микроробот взлетел на звуковых волнах с тягой почти в пять раз больше собственного веса

Исследовательская группа из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) представила инновационный бесконтактный движитель для микроробототехники, в котором традиционные моторы заменены акустическими колебаниями. Фундаментом технологии послужили классические резонаторы Гельмгольца.

Воздействие акустической волны определенной частоты провоцирует мощный резонанс воздушной массы внутри рабочей полости. Специфика гидродинамики в узком сопле преобразует эти колебания в однонаправленный поток воздуха. Возникающей реактивной тяги оказывается достаточно не только для маневрирования, но и для полноценного левитационного подъема сверхлегких конструкций.

Экспериментальные образцы сантиметрового масштаба были созданы методом аддитивного производства и функционировали в спектре от 200 Гц до 40 кГц. Хотя объемные камеры генерировали большее усилие, решающими факторами эффективности оказались геометрия и толщина стенок выводного отверстия. Возможность селективной частотной настройки позволила звуку выступать одновременно и каналом передачи энергии, и управляющим сигналом.

Начальные тесты проводились на плавающих микроплатформах. Базовая модель приводилась в движение сигналом частотой 1,2 кГц. Усложненная конфигурация с раздельными каналами тяги и руления успешно преодолевала препятствия и выписывала «восьмерку» с отклонением от заданной траектории всего в 5,70 мм.

В последующей модификации исследователи интегрировали миниатюрные вибрационные преобразователи прямо в структуру резонаторов, избавившись от внешнего излучателя. Полученный автономный модуль нес на борту компактную батарею и радиомодуль управления. Задержка отклика по Bluetooth не превышала 30 мс. Робот успешно отрисовал контуры аббревиатуры «EPFL», обходил барьеры и уверенно восстанавливал заданный курс после внешних возмущений — толчков и сильных порывов воздуха.

Кульминацией эксперимента стали испытания двух летающих микросистем. Первый дрон массой всего 0,15 мг оснащался триадой микрорезонаторов, оптимизированных под ультразвук частотой 40 кГц. Сфокусированное звуковое поле формировало направленные вниз струи, обеспечивая тягу, в 4,9 раза превышающую массу устройства. Дрон совершил резкий взлет на высоту 12 мм с последующей стабилизацией зависания на уровне 7 мм.

Второй прототип весом 0,184 мг реализовал роторную схему: микроструи раскручивали винт с миниатюрными лопастями. При ультразвуковом возбуждении скорость вращения достигла 13 000 об/мин, оторвав конструкцию от площадки, а в режиме устойчивого зависания стабилизировалась около отметки 6500 об/мин. Дополнительные тесты подтвердили, что основную подъемную силу генерирует именно аэродинамика лопастей, а не радиационное давление звука. За счет гироскопической стабилизации вращающаяся модель продемонстрировала значительно более плавный и контролируемый полет.

В текущем виде разработка служит лишь демонстрацией концепта. Полет требует непрерывного фокусирования внешнего ультразвукового излучателя на микрообъекте, что ограничивает радиус его действия. Установка источника звука на сам дрон критически утяжелила бы конструкцию. Дополнительным ограничением остается использование единой частоты (40 кГц), не позволяющей независимо манипулировать отдельными тяговыми элементами в полете.

Перспективы развития проекта ученые связывают с фазированными акустическими решетками, способными адресно излучать волны разного спектра для селективного контроля сопел. Другим направлением является переход на методы нанопечати с субмикронным разрешением (до 700 нм). Тем не менее инженеры предупреждают: на микроуровне доминирующим фактором становится вязкость воздуха, что снижает гидродинамический КПД и требует пересмотра геометрии вместо прямого масштабирования.

Источник: iXBT