صدا نیروی محرکه ربات‌های آینده می‌شود

به گزارش مجله خبری نگار، پژوهشگران در سوئیس با استفاده از نیروی صدا توانستند قایق‌های مینیاتوری و حتی ماشین‌های پرنده میکروسکوپی را بدون موتور‌های متعارف به حرکت درآورند.

دانشمندان موسسه فناوری فدرال لوزان (EPFL) ساختار‌های توخالی کوچکی طراحی کرده‌اند که انرژی صوتی را دریافت و آن را به نیروی پیشران جهت‌دار تبدیل می‌کنند. این نتایج می‌تواند به ساخت ربات‌هایی بسیار کوچک و سبک منجر شود که فقط با تغییر فرکانس صدا کنترل می‌شوند.

این فناوری بر پایه پدیده‌ای به نام «تشدید هلمهولتز» (Helmholtz resonance) است. هنگامی که هوا از روی دهانه بطری عبور کند، هوای محبوس درون بطری شروع به نوسان می‌کند. در فرکانس‌های خاص، این ارتعاش‌ها به‌شدت تقویت می‌شوند و صدای آشنای بطری هنگام دمیدن روی دهانه آن، ایجاد می‌شود.

پژوهشگران موسسه فناوری فدرال لوزان دریافتند که می‌توان از همین پدیده برای ایجاد حرکت استفاده کرد. آنان حفره‌های توخالی بسیار کوچکی با اشکال گرد یا شبیه زنگ طراحی کردند. هنگامی که امواج صوتی با فرکانس مناسب به این حفره‌ها می‌رسند، هوای محبوس درون آنها به‌شدت به ارتعاش درمی‌آید. هوای خروجی به صورت جریان متمرکز خارج در حالی که هوای ورودی از سطح گسترده‌تری وارد حفره می‌شود. این تفاوت نیروی پیشرانی ایجاد می‌کند که ساختار را در جهت مشخصی حرکت می‌دهد.

در این روش، امواج صوتی فقط از بیرون به جسم فشار وارد نمی‌کنند، بلکه دستگاه‌های جدید عملا انرژی صدا را جذب و به نیروی محرکه خود تبدیل می‌کنند.

پژوهشگران برای آزمایش این ایده، قایق‌های مینیاتوری در ابعاد چند سانتی‌متر ساختند که هرکدام حداکثر سه حفره داشتند. هر حفره برای واکنش به فرکانس صوتی قابل شنیدن متفاوتی، طراحی شده بود و می‌توانست نیروی پیشران را در جهت مشخصی ایجاد کند.

دانشمندان توانستند با تغییر فرکانس صدایی که یک بلندگوی نزدیک تولید می‌کرد، تعیین کنند کدام حفره فعال شود. به این ترتیب، قایق‌ها حرکت و تغییر مسیر می‌دادند، از موانع عبور می‌کردند و حتی قابلیت ناوبری خودکار آنها نیز به نمایش گذاشته شد. پژوهشگران سپس این فناوری را در مقیاس بسیار کوچک‌تری آزمایش کردند.

آنان با استفاده از فناوری پیشرفته چاپ سه‌بعدی در مقیاس نانو، میکروفلایر‌هایی فوق‌سبک ساختند که حفره‌های میکروسکوپی به‌طور مستقیم در ساختار آنها تعبیه شده بود. این ماشین‌های پرنده کوچک به جای صدای قابل شنیدن، به فراصوت، امواجی با فرکانسی بالاتر از محدوده شنوایی انسان، واکنش نشان می‌دادند.

حتی هنگامی که وزن یکی از این میکروفلایر‌ها فقط ۱۵۰ میکروگرم بود، حفره‌های آن به‌طور مستقیم نیروی رو به بالا ایجاد می‌کردند و به دستگاه اجازه می‌دادند تا حدودی مانند یک موشک بسیار کوچک عمل کند. در نمونه دیگری، پره‌های کوچکی به ساختار اضافه شد. حفره‌های فعال شده با صدا باعث چرخش پره‌ها با سرعتی تا ۱۳ هزار دور در دقیقه شدند و نیروی بالابر آیرودینامیکی پایداری مشابه یک بالگرد بسیار کوچک ایجاد کردند.

یکی از مهم‌ترین مزایای این فناوری، سادگی آن است. این ربات‌ها برای ایجاد حرکت به موتور‌های سنتی، چرخ‌دنده یا قطعات مغناطیسی نیاز ندارند. نیروی محرکه آنها بیشتر از ساختار‌های توخالی با طراحی دقیق تامین می‌شود ساختار‌هایی که می‌توان آنها را با موادی مانند پلاستیک‌های مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی، پلیمر‌های انعطاف‌پذیر و شیشه تولید کرد. پژوهشگران معتقدند این فناوری را می‌توان بیش از این نیز کوچک کرد.

ربات‌های آینده ممکن است تعداد زیادی حفره داشته باشند که هرکدام برای فرکانس صوتی متفاوت تنظیم شده باشند. در چنین شرایطی، تغییر صدا می‌تواند بخش‌های مشخصی از یک ماشین را به‌طور مستقل فعال کند و باعث حرکت، خم‌شدن یا ارتعاش آنها شود.

طبق گزارش وب‌سایت تک نیوز، در نهایت، این فناوری می‌تواند به ساخت ربات‌ها یا تجهیزات پرنده بسیار کوچکی منجر شود که در واکنش به صدا، شکل و رفتار خود را تغییر می‌دهند. به این ترتیب، پدیده صوتی روزمره می‌تواند به روشی جدید برای کنترل بی‌سیم ربات‌های مینیاتوری تبدیل شود.

نتایج این پژوهش در نشریه Science Advances منتشر شده است.