Якщо подути над шийкою порожньої пляшки, можна почути чистий, рівний звук. Тепер інженери використали той самий принцип для живлення крихітних роботів, що рухаються без єдиного двигуна.
Ці нові пристрої повністю живляться від звуку. Коли на них прямує потрібна частота, порожнисті камери, вбудовані в їх конструкцію, резонують і виштовхують струмінь повітря, створюючи достатню тягу, щоб керувати невеликим човном або підняти крихітного летючого робота із землі.
Вчені описали свій винахід у дослідженні, опублікованому у журналі Science Advances.
Мініатюрний настроювальний трюк XIX століття
Ефект, що лежить в його основі, відомий як резонанс Гельмгольца, вперше був вивчений в 1856 німецьким фізиком Германом фон Гельмгольцом, який намагався винайти знаряддя для настроювання музичних інструментів. Він помітив, що коли повітря, замкнене всередині порожнини, резонує, воно також виштовхує слабкий струмінь повітря.
"Це не дуже потужно, коли ви використовуєте музичний інструмент, тому що тиск низький", - сказав співавтор дослідження Сельман Сакар, доцент кафедри машинобудування Швейцарського федерального технологічного інституту в Лозанні (EPFL). "Але якби ви могли збільшити тиск, цей струмінь раптово міг би стати значним... таким чином, що силу можна було б використовувати для роботи механізмів", - сказав він Live Science.
Команда зрозуміла, що зменшення розмірів резонаторів Гельмгольца змістить частоту, необхідну для їх активації, в ультразвуковий діапазон — тобто вона надто високочастотна для людського слуху і, що важливо, її легше точно сфокусувати. Більші версії, що генерують ту саму силу, мають видавати досить гучний звук, щоб бути одночасно дратівливим та потенційно небезпечним, сказав Сакар.
Використовуючи спеціалізовану технологію 3D-друку, яка називається двофотонним друком, дослідники створили порожнисті структури на основі вихідних рівнянь Гельмгольца та підтвердили за допомогою лабораторних випробувань та комп'ютерного моделювання, що вони створюють тягу, як і передбачалося.
Човни, ракети та крихітні вертольоти
Команда створила невеликі човни розміром приблизно 5 сантиметрів, оснащені безліччю резонаторів, кожен з яких налаштований на різну частоту та направлений в іншому напрямку. Змінюючи висоту звуку розташованого поруч динаміка, дослідники могли керувати човнами, спрямовуючи їх ліворуч, праворуч чи прямо вперед.
У набагато меншому масштабі - деякі човни розміром всього 1 міліметр - команда також створила «мікролітальні апарати», які створювали підіймальну силу двома різними способами: деякі створювали тягу вниз, як ракета, але використовуючи повітря як джерело тяги, в той час, тоді як інші мали крихітні прикріплені лопаті, щоб літати, як гелікоптер, використовуючи звукові хвилі для обертання лопатей.
За словами Сакара, ця технологія має перевагу перед традиційними способами вироблення енергії, оскільки її можна створювати у надзвичайно малих масштабах. Традиційні двигуни мають "фундаментальне обмеження" на мініатюризацію через фізичні компоненти, такі як магніти, котушки та вали, які необхідні двигуну для роботи, сказав він. Оскільки ці резонатори є точно сформованими порожнистими порожнинами, немає жодних обмежень на те, наскільки маленькими їх можна буде в кінцевому підсумку створити.
Дослідники заявили у своєму дослідженні, що той же принцип в кінцевому підсумку може бути використаний для точного обертання і маніпулювання невеликими об'єктами в повітрі без дотику до них, або для створення м'яких, гнучких поверхонь, які згинаються і змінюють форму по команді, коли вони "чують" певну частоту, що може бути використано для біомедичних застосувань, таких як серцеві стенти.
На цей момент дослідження є основою подальших розробок, сказав Сакар. "Я думаю, ця стаття важлива в тому сенсі, що ми виклали принципи проєктування", - сказав він, додавши, що подальша робота може бути зосереджена на більш прикладних розробках, системах управління та навігації.
