Аннотация:
Поскольку электронное оборудование продолжает миниатюризироваться, спрос на сверхмалые устройства в медицинской, аэрокосмической и охранной сферах растет. Однако ограничения по размерам традиционных батарей, двигателей и механических компонентов также стали препятствиями на пути дальнейшего сокращения микроустройств. Лаборатория микробных робототехнических систем Инженерной школы Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии недавно предложила новое решение: использование звука для питания микроустройств для достижения направленного движения без батарей и двигателей.
Технология основана на резонансе Гельмгольца — физическом явлении, которое вызывает жужжащий звук, когда люди вдувают воздух в горлышко стеклянной бутылки. Когда частота звука соответствует собственной частоте колебаний воздуха внутри бутылки, воздух, попавший в полость, будет сильно вибрировать. Исследовательская группа применила этот принцип к структурам с микрополостями, изготовленным из напечатанного на 3D-принтере пластика, стекла или резиноподобных полимеров.
Под действием звуковых волн вибрация воздуха внутри полости образует концентрированный поток воздуха, который распыляется наружу; в то время как возвратный воздух относительно рассеян. Асимметрия между двумя распределениями воздушного потока создает силу тяги, которая перемещает устройство. В отличие от прошлых исследований, в которых внешние звуковые волны использовались для прямого «толкания» пассивных объектов или манипулирования объектами посредством акустической левитации, новое решение направлено на сбор акустической энергии в окружающей среде и преобразование ее в механическую тягу.
Чтобы проверить эту идею, исследователи сначала изготовили микрокорабли и расположили на каждом корабле три полости, соответствующие разным резонансным частотам. Переключая частоту звуковых волн, команда могла выборочно активировать одну из полостей, чтобы подтолкнуть корабль в определенном направлении.
Впоследствии команда также построила сверхлегкий «микросамолет». Этот тип микродрона весит всего 150 микрограмм и имеет три крошечные полости, встроенные в его корпус. Испытания показали, что микросамолет может двигаться вперед, приводясь в движение ультразвуковыми частотами, неслышимыми для человеческого уха.
Другая конструкция сочетает в себе акустические полости с крошечными лопастями пропеллера. Результаты экспериментов показывают, что тяги, создаваемой полостью, достаточно, чтобы лезвие достигло скорости 13 000 оборотов в минуту. Для сравнения, обычные пропеллеры дронов обычно совершают всего лишь порядка тысячи оборотов в минуту.
Исследователи полагают, что эта технология, как ожидается, будет способствовать разработке микроустройств и роботов, которые не требуют традиционных батарей и двигателей в будущем. Путем настройки нескольких акустических структур, которые реагируют на разные частоты в одном устройстве, разные части устройства можно активировать и перемещать независимо, привнося новые дизайнерские идеи в гибкие микророботы и высокоинтегрированные микроустройства.
Комментарии