دانشمندان ربات‌های کوچکی ساختند که بدون موتور و تنها با امواج صوتی پرواز می‌کنند

یک روش قدیمی مربوط به کوک کردن سازهای موسیقی اکنون برای تأمین نیروی ربات‌های بسیار کوچکی به کار گرفته شده است؛ ربات‌هایی که می‌توانند با استفاده از امواج صوتی پرواز کنند، روی آب حرکت داشته باشند و بدون موتور خودشان مسیرشان را تغییر دهند.

اگر روی دهانه یک بطری خالی فوت کنید، صدایی واضح و پایدار به گوش می‌رسد. مهندسان با الهام از همین پدیده توانسته‌اند ربات‌های کوچکی بسازند که حتی یک موتور هم درون ساختارشان ندارند و با صدا جابه‌جا می‌شوند.

این تجهیزات کاملاً با صوت کار می‌کنند. هنگامی که فرکانس مناسب به آنها تابانده شود، محفظه‌های توخالی تعبیه‌شده در ساختارشان به ارتعاش درمی‌آیند و جریان کوچکی از هوا ایجاد می‌کنند. همین نیروی هوا می‌تواند یک قایق کوچک را هدایت کند یا یک ربات پرنده بسیار ریز را از زمین بلند کند.

پژوهشگران جزئیات این فناوری را در مجله Science Advances منتشر کرده‌اند.

کوچک‌سازی یک پدیده قدیمی

اساس این فناوری به پدیده‌ای موسوم به تشدید هلمهولتز بازمی‌گردد که نخستین بار در سال 1856 توسط فیزیکدان آلمانی هرمان فون هلمهولتز بررسی شد. او در آن زمان به دنبال ساخت ابزاری برای کوک کردن سازهای موسیقی بود و متوجه شد هوای محبوس درون یک حفره، هنگام تشدید، جریان بسیار ضعیفی از هوا را نیز به بیرون می‌راند.

سلمان ساکار، یکی از نویسندگان پژوهش و دانشیار مهندسی مکانیک در مؤسسه فناوری فدرال لوزان در سوئیس، گفت:

وقتی این پدیده را در یک ساز موسیقی ایجاد می‌کنید، نیروی چندانی به وجود نمی‌آید، چون فشار پایین است. اما اگر بتوان فشار را افزایش داد، این جریان هوا ناگهان می‌تواند قابل توجه شود و نیروی آن را برای به حرکت درآوردن ماشین‌ها به کار گرفت.

پژوهشگران دریافتند که با کوچک کردن تشدیدگرهای هلمهولتز، فرکانس لازم برای فعال کردن آنها به محدوده فراصوت منتقل می‌شود؛ محدوده‌ای که گوش انسان قادر به شنیدن آن نیست و از طرفی امکان تمرکز دقیق‌تر صوت را فراهم می‌کند.

به گفته ساکار، نمونه‌های بزرگ‌تر برای تولید نیروی مشابه به صدایی در محدوده قابل شنیدن نیاز دارند که می‌تواند بسیار آزاردهنده و حتی بالقوه آسیب‌زا باشد. تیم تحقیقاتی با استفاده از روش پیشرفته چاپ سه‌بعدی موسوم به چاپ دو-فوتونی، ساختارهای توخالی مورد نیاز را بر اساس معادلات اولیه هلمهولتز ساخت. آزمایش‌های آزمایشگاهی و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز نشان دادند که این ساختارها تقریباً همان میزان نیروی رانشی پیش‌بینی‌شده را ایجاد می‌کنند.

قایق‌ها، موشک‌ها و هلیکوپترهای میکروسکوپی

پژوهشگران قایق‌های کوچکی با طول حدود 5 سانتی‌متر ساختند که چند تشدیدگر روی آنها قرار داشت. هر تشدیدگر برای فرکانس متفاوتی تنظیم شده بود و جریان هوا را در جهت مشخصی هدایت می‌کرد. با تغییر فرکانس یک بلندگوی نزدیک، امکان هدایت قایق‌ها به سمت چپ، راست یا مستقیم فراهم شد.

در ابعاد بسیار کوچک‌تر، تیم پژوهشی نمونه‌هایی موسوم به میکروپرنده‌ها نیز ساخت که برخی از آنها تنها 1 میلی‌متر قطر داشتند. این ربات‌های پرنده به دو شیوه مختلف نیروی بالابر ایجاد می‌کردند. برخی با فرستادن جریان هوا به سمت پایین، مانند یک موشک حرکت می‌کردند، با این تفاوت که نیروی رانش آنها از هوا تأمین می‌شد. نمونه‌های دیگر نیز تیغه‌های بسیار کوچکی داشتند که امواج صوتی آنها را به چرخش درمی‌آورد و ربات را مانند یک هلیکوپتر به پرواز درمی‌آورد.

ساکار گفت این فناوری نسبت به روش‌های متداول تولید نیرو یک مزیت مهم دارد و آن امکان ساخت در ابعاد فوق‌العاده کوچک است. موتورهای معمولی به دلیل وجود قطعات فیزیکی مانند آهنربا، سیم‌پیچ و محور، محدودیت بنیادی در کوچک‌سازی دارند.

در مقابل، این تشدیدگرها چیزی جز حفره‌های توخالی با شکل و ابعاد بسیار دقیق نیستند؛ بنابراین محدودیت مشابهی برای کاهش اندازه آنها وجود ندارد و در آینده می‌توان نمونه‌هایی حتی کوچک‌تر ساخت. پژوهشگران در مقاله خود مطرح کرده‌اند که همین اصل در آینده می‌تواند برای چرخاندن و جابه‌جایی دقیق اجسام کوچک در هوا، بدون تماس مستقیم، مورد استفاده قرار گیرد.

از سوی دیگر، این فناوری می‌تواند امکان ساخت سطوح نرم و انعطاف‌پذیری را فراهم کند که با دریافت یک فرکانس مشخص، خم شوند یا شکل خود را تغییر دهند. چنین قابلیتی می‌تواند در حوزه‌های زیست‌پزشکی، از جمله ساخت استنت‌های قلبی، کاربرد داشته باشد. ساکار تأکید کرد که فعلاً این پژوهش بیشتر یک نقطه شروع برای توسعه‌های بعدی است. او گفت:

فکر می‌کنم اهمیت این مقاله در این است که اصول طراحی را ارائه کرده‌ایم. در مراحل بعدی می‌توان روی نمونه‌های کاربردی‌تر، سامانه‌های کنترلی و قابلیت‌های مسیریابی تمرکز کرد.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.