پرواز بی‌موتور در دنیای میکروسکوپی؛ ساخت ریزربات‌هایی که با امواج صوتی کار می‌کنند

پژوهشگران با الهام از پدیده‌ای که بیش از یک قرن پیش برای کوک‌کردن سازهای موسیقی مطالعه شده بود، روشی برای ساخت ربات‌های بسیار کوچک ابداع کرده‌اند که بدون موتور می‌توانند حرکت کنند، تغییر مسیر دهند و حتی به پرواز درآیند. این ربات‌ها انرژی موردنیاز خود را مستقیماً از امواج صوتی دریافت می‌کنند.

اگر روی دهانه یک بطری خالی فوت کنید، صدایی واضح و تقریباً ثابت ایجاد می‌شود. همین پدیده‌ی ساده که ریشه در اصل تشدید هلمهولتز دارد، اکنون به ابزاری برای به حرکت درآوردن ماشین‌هایی در ابعاد میلی‌متری تبدیل شده است.

به‌گزارش لایو‌ساینس، پژوهشگران در طراحی جدید، حفره‌های توخالی بسیار کوچکی را در ساختار ربات‌ها ایجاد کرده‌اند که هرکدام برای فرکانس مشخصی از صوت تنظیم شده‌اند. هنگامی که موج صوتی با فرکانس مناسب به این حفره‌ها می‌رسد، هوای محبوس درون آن‌ها به ارتعاش درمی‌آید و جریانی از هوا ایجاد می‌کند. همین جریان می‌تواند نیروی رانش لازم برای حرکت قایقی کوچک یا بلندکردن ربات پرنده‌ای بسیار ریز را فراهم کند.

اصل تشدید هلمهولتز نخستین‌بار در سال ۱۸۵۶ توسط هرمان فون هلمهولتز، فیزیکدان آلمانی، بررسی شد. هلمهولتز به دنبال ساخت ابزاری برای کوک‌کردن سازهای موسیقی بود و دریافت که وقتی هوای محبوس درون یک حفره در فرکانس طبیعی خود به تشدید درمی‌آید، می‌تواند جریان هوای بسیار ضعیفی نیز ایجاد کند.

ایده‌ی اصلی پژوهشگران این بود که با کوچک‌کردن ابعاد تشدیدگرها، فرکانس لازم برای فعال‌سازی آن‌ها نیز افزایش پیدا کند و به محدوده فراصوت برسد؛ یعنی فرکانس‌هایی بالاتر از محدوده شنوایی انسان. این ویژگی یک مزیت مهم دارد: امواج فراصوت را می‌توان با دقت بیشتر روی ساختارهای بسیار کوچک متمرکز کرد. به‌گفته‌ی ساکار، اگر قرار بود برای تولید نیرو از امواج صوتی شنوایی استفاده شود، باید صدا را تا حد بسیار زیادی تقویت کرد که هم آزاردهنده و هم در شدت‌های بالا خطرناک خواهد بود.

پژوهشگران با استفاده از روش پیشرفته‌ای از چاپ سه‌بعدی موسوم به چاپ دو‌فوتونی، ساختارهای توخالی موردنظر خود را بر اساس معادلات اصلی تشدید هلمهولتز ساختند. آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز نشان داد که این ساختارها می‌توانند نیروی رانشی پیش‌بینی‌شده را ایجاد کنند.

پژوهشگران برای نمایش قابلیت فناوری، قایق‌هایی به طول حدود پنج سانتی‌متر ساختند و چند تشدیدگر صوتی روی آن‌ها قرار دادند. هر تشدیدگر برای فرکانس متفاوتی تنظیم شده و در جهت خاصی قرار داشت. پژوهشگران می‌توانستند با تغییر فرکانس صدای یک بلندگوی نزدیک، تشدیدگرهای مختلف را فعال کنند و در نتیجه جهت حرکت قایق را تغییر دهند؛ برای مثال قایق را به سمت چپ، راست یا مستقیم هدایت کنند.

اما کاربرد این طرح به وسایل چندسانتی‌متری محدود نمی‌شود. پژوهشگران در مقیاس بسیار کوچک‌تر، ربات‌هایی موسوم به ریزپرنده نیز ساختند که بعضی از آن‌ها تنها حدود یک میلی‌متر عرض داشتند. ریزپرنده‌ها با دو روش متفاوت به پرواز درمی‌آمدند:

• در مدل اول، جریان هوا به سمت پایین هدایت می‌شد و نیروی حاصل، ربات را به سمت بالا می‌راند؛ درست مانند نیروی رانشی موشک، با این تفاوت که به‌جای گازهای داغ از هوا استفاده می‌شد.
• در مدل دوم، امواج صوتی باعث چرخش پره‌های کوچکی می‌شدند که به ربات متصل بودند و آن را مانند بالگرد از زمین بلند می‌کردند.