Inginerii au creat roboți capabili să plutească, să zboare și să-și schimbe direcția folosind exclusiv unde sonore. Tehnologia se bazează pe un fenomen descoperit în urmă cu aproximativ 170 de ani, cunoscut sub numele de rezonanță Helmholtz.
Principiul poate fi observat atunci când cineva suflă peste gura unei sticle goale și obține un sunet constant. În interiorul roboților sunt integrate cavități goale, iar atunci când acestea primesc frecvența potrivită, aerul intră în rezonanță și este evacuat sub forma unui jet. Forța rezultată este suficientă pentru propulsarea unor dispozitive de dimensiuni foarte mici.
Fenomenul a fost studiat în 1856 de fizicianul german Hermann von Helmholtz, care căuta o metodă de acordare a instrumentelor muzicale. În cazul instrumentelor, jetul de aer este prea slab pentru a avea o utilizare practică, însă creșterea presiunii îi poate amplifica forța.
„Nu este foarte puternic atunci când faci asta cu un instrument muzical, pentru că presiunea este scăzută. Dar dacă ai putea crește presiunea, dintr-odată acel jet ar putea deveni semnificativ, astfel încât forța să poată fi utilizată pentru acționarea unor mecanisme”, a explicat Selman Sakar, profesor asociat de inginerie mecanică la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Lausanne.
Cercetătorii au redus dimensiunea rezonatoarelor pentru ca frecvența lor de activare să ajungă în zona ultrasunetelor, inaccesibilă auzului uman. Undele cu frecvență înaltă pot fi focalizate mai precis, iar folosirea unor dispozitive mai mari ar necesita un sunet audibil atât de puternic încât ar putea deveni deranjant sau chiar nociv.
Ambarcațiuni și aparate de zbor
Structurile au fost realizate printr-o tehnică specială de imprimare 3D, apoi verificate prin experimente și simulări digitale. Pentru demonstrație, echipa a construit ambarcațiuni de aproximativ cinci centimetri, dotate cu mai multe rezonatoare reglate la frecvențe diferite și orientate în direcții distincte.
Prin schimbarea frecvenței emise de un difuzor din apropiere, cercetătorii au putut controla deplasarea bărcilor înainte, spre stânga sau spre dreapta. La o scară mult mai mică, au fost realizate și microaparate de zbor cu dimensiuni de aproximativ un milimetru.
Unele dintre aceste dispozitive se ridicau de la sol prin generarea unei forțe orientate în jos, într-un mod asemănător propulsiei unei rachete, dar folosind aerul. Alte modele puneau în mișcare pale minuscule și zburau asemenea unui elicopter, energia necesară rotației fiind furnizată de undele sonore.
Potrivit lui Sakar, metoda ar putea depăși limitele motoarelor convenționale în cazul miniaturizării. Motoarele clasice au nevoie de componente precum magneți, bobine și arbori, în timp ce noile sisteme sunt formate din cavități goale, modelate cu precizie, care pot fi reduse la dimensiuni foarte mici.
Posibile utilizări medicale
Autorii studiului publicat pe 12 august în revista Science Advances susțin că aceeași abordare ar putea permite manipularea unor obiecte mici în aer, fără contact direct. De asemenea, ar putea fi dezvoltate suprafețe flexibile care să se îndoaie sau să-și schimbe forma atunci când sunt activate de o anumită frecvență.
Printre posibilele aplicații se numără dispozitivele biomedicale, inclusiv stenturi cardiace. Deocamdată, cercetarea oferă principiile de proiectare, iar următoarele etape vizează modele cu utilizări concrete, sisteme de control și metode de navigație.
