Звук поднял микроробота в воздух: тяга оказалась почти в 5 раз больше веса

Инженеры Федеральной политехнической школы Лозанны показали микророботов, которые двигаются и поднимаются в воздух за счёт звука. В одном из опытов тяга оказалась примерно в 4,9 раза больше собственного веса аппарата, а другой микроробот разогнал ротор до 13 000 оборотов в минуту.

Основа системы — резонатор Гельмгольца. Когда на него подают звук нужной частоты, воздух внутри начинает колебаться, а на входе и выходе узкого канала возникает направленная струя. Она создаёт тягу, которой хватает для перемещения, управления и подъёма лёгких устройств.

Учёные напечатали резонаторы на 3D-принтере и подбирали их под разные частоты. Размеры устройств были в несколько сантиметров, а рабочий диапазон частот составлял примерно от 200 Гц до 40 кГц. На тягу сильнее всего влияли форма и толщина горлышка резонатора.

Что показали испытания

Сначала систему проверили на миниатюрных лодках. Один из ранних прототипов начинал двигаться только после подачи звука частотой 1,2 кГц, а более сложная версия уже разделяла функции движения и поворота между разными резонаторами.

• Лодка обходила препятствия и проходила трассу в форме восьмёрки.
• Средняя ошибка следования составила 5,70 мм.
• Задержка между командой по Bluetooth и срабатыванием системы была около 30 мс.
• Устройство могло воспроизводить траекторию букв «EPFL».

Для одной из версий внешний динамик заменили небольшими вибрационными преобразователями, закреплёнными прямо на резонаторах. Так система получила встроенный аккумулятор, электронику управления и источник вибраций. Она выдерживала и внешнее воздействие: после того как аппарат сдували потоком воздуха или отталкивали, он возвращался на курс.

Летающие микророботы

Главной демонстрацией стали два летающих микроробота. Первый весил около 0,15 мг и использовал три микроскопических резонатора, настроенных на 40 кГц. Сфокусированный ультразвук заставлял их выбрасывать вниз воздушные струи, после чего аппарат поднялся примерно на 12 мм и стабилизировался на высоте около 7 мм от исходного положения.

Второй аппарат массой 0,184 мг работал иначе: акустические струи крутили ротор с крошечными аэродинамическими лопастями. Под ультразвуком он разгонялся примерно до 13 000 об/мин и мог оторваться от поверхности. В режиме зависания скорость падала примерно до 6500 об/мин.

Проверка с переворотом корпуса показала, что подъём обеспечивала именно аэродинамическая тяга, а не только давление звуковых волн. Вращающийся вариант оказался стабильнее прямоточного, вероятно, из-за гироскопического эффекта.

Авторы работы называют это демонстрацией принципа, а не полностью автономной системой. Для полёта микророботу нужен внешний акустический источник, который удерживает сильное звуковое поле на движущемся объекте, а это ограничивает рабочую область. Если перенести источник звука на сам аппарат, автономность вырастет, но вместе с ней увеличится и масса.

Ещё одно ограничение связано с тем, что сейчас система работает только на одной частоте 40 кГц. Из-за этого сложно независимо управлять несколькими резонаторами. В будущем исследователи рассчитывают на многочастотные ультразвуковые массивы, которые смогут включать разные резонаторы выборочно. Они также допускают дальнейшее уменьшение устройств с помощью 3D-нанопечати с разрешением около 700 нм, но при переходе к микрометровому масштабу тяга может резко снижаться из-за вязкости воздуха.