پرواز بیموتور در دنیای میکروسکوپی؛ ساخت ریزرباتهایی که با امواج صوتی کار میکنند
دانشمندان با بازآفرینی اصل تشدید هلمهولتز، رباتهای یک میلیمتری فاقد موتوری ساختهاند که تنها با نیروی امواج فراصوت پرواز و حرکت میکنند.
به گزارش سایت دیدبان ایران، 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.
امواج فراصوت را میتوان با دقت بیشتر روی ساختارهای بسیار کوچک متمرکز کرد
سلمن ساکار، استادیار مهندسی مکانیک در مؤسسه فناوری فدرال لوزان (EPFL) و از نویسندگان پژوهش، میگوید: «در سازهای موسیقی فشار هوا برای ایجاد نیروی قابلتوجه کافی نیست؛ اما اگر بتوان فشار را افزایش داد، جریان هوای خروجی میتواند آنقدر قدرتمند شود که بتوان از نیروی آن برای به حرکت درآوردن ماشینها استفاده کرد.»
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:
بهگفتهی ساکار، یکی از مهمترین مزیتهای این روش در مقایسه با موتورهای معمولی، امکان کوچکسازی آن است. موتورهای الکتریکی متعارف به اجزایی مانند آهنربا، سیمپیچ و محورهای مکانیکی نیاز دارند و کوچککردن اجزا در نهایت با محدودیتهای فیزیکی روبهرو میشود.
در مقابل، تشدیدگرهای مورد استفاده در پژوهش صرفاً حفرههایی با شکل و ابعاد بسیار دقیق هستند. بنابراین از نظر تئوری، میتوان آنها را به ابعاد بسیار کوچکتری رساند؛ بدون اینکه لازم باشد مجموعهای از قطعات مکانیکی را نیز به همان اندازه کوچک کرد.
البته فناوری میکرو رباتها هنوز در مراحل اولیهی ابداع است و فاصلهی زیادی با استفادهی گسترده دارد. پژوهشگران فعلاً اصول طراحی و امکانپذیری ایده را ارائه دادهاند؛ گامهای بعدی میتواند شامل ساخت سامانههای کنترلی، طراحی کاربردیتر و روشهای دقیقتر برای مسیریابی باشد.
بااینحال، توانایی ایجاد نیرو و حرکت در ابعادی بسیار ریز فقط یکی از کاربردهای احتمالی تشدیدگرهای صوتی است. پژوهشگران میگویند در آینده میتوان از همین اصل برای چرخاندن و جابهجایی دقیق اجسام کوچک در هوا، بدون تماس مستقیم، استفاده کرد. از سوی دیگر، میتوان سطوح نرم و انعطافپذیری ساخت که با دریافت فرکانس صوتی مشخص، خم شوند یا شکل خود را تغییر دهند. چنین سازههایی در آینده میتوانند در کاربردهای زیستپزشکی مورد استفاده قرار گیرند.
ساکار تأکید میکند که پژوهش اکنون در نقطهی شروع است: «ما اصول ایده طراحی را ارائه کردهایم. پژوهشهای بعدی میتوانند ایده را به سمت سامانههای عملیتر، کنترل دقیقتر و ناوبری خودکار هدایت کنند.»
نتایج پژوهش در مجلهی Science Advances منتشر شده است.