Микродроны научили летать на звуковой тяге

Инженеры Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали необычные миниатюрные движки, способные преобразовывать звуковые волны непосредственно в тягу — без электродвигателей и бортовой электроники. Учёные использовали то же явление, когда дуешь в пустую бутылку, а она начинает гудеть. Движки микродронов — те же резонирующие полости, создающие реактивную тягу в ответ на звуковые колебания на заданных частотах.

В основе технологии лежит резонанс Гельмгольца. Исследователи из лаборатории MicroBioRobotic Systems (MICROBS) создали полые резонаторы круглой и колоколообразной формы, размеры и геометрия которых подбирались под определённую частоту звука. При попадании в резонанс воздух внутри полости начинал совершать интенсивные колебания, превращая простой пустотелый элемент конструкции в акустический микродвигатель.

Принцип создания тяги основан на асимметрии потоков воздуха. При каждом акустическом колебании воздух входит в резонатор сравнительно рассеянным потоком, но выходит через отверстие в виде более концентрированной струи. Это приводит к тому, что средний импульс выходящего потока приобретает направление, и конструкция получает реактивную тягу.

Метод принципиально отличается от акустической левитации, где внешнее звуковое поле непосредственно удерживает или перемещает пассивный объект, например, теннисный шарик перед гудящим динамиком. В новой схеме звук как бы накачивает энергией встроенный в аппарат резонатор, а тот сам создаёт движущую силу. Такие полости можно свободно печатать на 3D-принтере или иным образом из пластика, стекла и так далее.

Для демонстрации технологии исследователи сначала создали миниатюрные сантиметровые лодки с одним, двумя или тремя акустическими резонаторами. Каждую полость настроили на собственную частоту слышимого диапазона и ориентировали так, чтобы создаваемая ею тяга действовала в определённом направлении. Меняя частоту сигнала динамика, инженеры могли выборочно включать различные «двигатели», заставляя лодку двигаться вперёд, поворачивать и обходить препятствия. Благодаря такому управлению исследователи также продемонстрировали программируемое автономное перемещение.

Затем с помощью трёхмерной нанопечати команда изготовила значительно более сложные летающие микророботы с тремя микроскопическими резонаторами, встроенными непосредственно в полимерный корпус. Они работали уже на ультразвуковых, неслышимых человеком частотах. Один из аппаратов массой всего 150 мкг создавал направленную вверх реактивную тягу непосредственно акустическими струями, фактически работая по принципу крошечной ракеты.

В другой конструкции резонаторы приводили во вращение миниатюрные лопасти со скоростью до 13 000 об/мин, создавая устойчивую аэродинамическую подъёмную силу по принципу вертолёта. По мнению разработчиков, дальнейшее уменьшение размеров позволит создавать гибких роботов с несколькими резонаторами, каждый из которых будет реагировать на свою частоту и независимо изгибать, вращать или менять отдельные части аппарата под воздействием звука.