مهندسان دانشگاه پلیتکنیک فدرال لوزان (EPFL) در سوئیس، سازههای حفرهای کوچکی ساختهاند که امواج صوتی را مستقیماً به نیروی رانش مکانیکی تبدیل میکنند؛ فناوریای که به رباتهای کوچک و پرندههای فوقسبک امکان میدهد بدون هیچ محرک، باتری یا مدار الکترونیکی حرکت کنند. نتایج این پژوهش که در آزمایشگاه سامانههای میکروزیسترباتیک (MICROBS) دانشکدهی مهندسی EPFL انجام شده، در نشریهی علمی Science Advances منتشر شده است.
معمای دستگاههای خیلی کوچک، جایی برای باتری و موتور نیست
روند کلی صنعت الکترونیک بهسمت کوچکترشدن قطعات پیش میرود؛ از پزشکی گرفته تا هوافضا. اما وقتی اندازهی یک دستگاه به حد میکرومتر و میلیگرم میرسد، دیگر جایی برای باتری، موتور و اجزای مکانیکی معمول باقی نمیماند. تیم پژوهشی EPFL برای حل این مشکل، بهجای تلاش برای کوچککردن بیشتر قطعات موجود، بهطور کامل از آنها صرفنظر کرده و بهجایش از پدیدهای فیزیکی و آشنا استفاده کردهاند.
پدیدهی مورد استفاده در این پژوهش، تشدید هلمهولتز (Helmholtz Resonance) نام دارد؛ همان اتفاقی که وقتی روی دهانهی یک بطری خالی میدمید رخ میدهد. هوای محبوس داخل بطری با فرکانس مشخصی نوسان میکند و همین نوسان، صدای زوزهمانند آشنا را تولید میکند. به هر ساختار توخالی که چنین رفتاری از خود نشان دهد، «حفرهی آکوستیک» (Acoustic Cavity) گفته میشود؛ این حفره میتواند گرد یا زنگولهمانند باشد و از موادی مانند پلاستیک قابلچاپ سهبعدی، پلیمرهای شبهلاستیکی یا حتی شیشه ساخته شود.
قایق کوچک آزمایشگاه MICROBS، مجهز به یک حفرهی آکوستیک زنگولهایشکل که نیروی رانش خود را از صدا میگیرد (منبع تصویر: EPFL/MICROBS، تحت مجوز CC-BY-SA 4.0)
هنگامی که امواج صوتی هوای داخل این حفرهها را به ارتعاش وامیدارند، هوای خروجی بهصورت یک جت متمرکز بیرون رانده میشود، در حالی که هوای ورودی پراکندهتر است؛ همین عدمتقارن میان جریان ورودی و خروجی، نیروی رانشی تولید میکند که میتواند یک جسم کوچک را به حرکت درآورد. سلمان ساکار (Selman Sakar)، رئیس آزمایشگاه MICROBS، این رویکرد را متفاوت از آزمایشهای پیشین توصیف میکند: بهجای هلدادن یک جسم منفعل با امواج صوتی خارجی (روشی که پیشتر برای معلقنگهداشتن اجسام در هوا با صدا هم استفاده میشد)، این بار تیم پژوهشی تشدیدگرهای آکوستیکی ساخته که برای بهرهگیری از صدا در فرکانسهای مشخص و تولید رانش جهتدار و حرکت کنترلشده تنظیم شدهاند؛ به بیان دیگر، این پژوهش نشان میدهد یک قطعهی مکانیکی ساده میتواند خودش به مادهی رباتیک تبدیل شود.
آزمایش با قایقهای کوچک
در مقیاس سانتیمتری، تیم پژوهشی قایقهای کوچکی ساختند که هرکدام تا سه حفره داشتند؛ هر حفره برای یک فرکانس صوتی متفاوت تنظیم و در جهتی مشخص نصب شده بود. با تغییر فرکانس صدای پخششده از یک بلندگو، پژوهشگران میتوانستند بهطور انتخابی هرکدام از این حفرهها را فعال کنند، قایق را در جهت دلخواه هدایت کنند، از موانع دور بزنند و حتی برای ناوبری خودمختار برنامهریزیاش کنند.
میکروفلایرها؛ پرندههای فوقسبک با فرکانس فراصوت
برای رفتن به مقیاسی بسیار کوچکتر، تیم پژوهشی با استفاده از فناوری چاپ سهبعدی نانو، میکروفلایر (Microflier) ساختند: وسایل پرندهی فوقسبکی با سه حفرهی میکروسکوپی که مستقیماً در بدنهی پلیمریشان تعبیه شده است. برخلاف قایقها، این میکروفلایرها با فرکانسهای فراصوت (Ultrasonic) تغذیه میشوند. یکی از طرحها با وزنی تنها ۱۵۰ میکروگرم، از حفرههای خود برای تولید رانش مستقیم روبهبالا، شبیه یک موشک کوچک، استفاده میکرد. طرح دیگری، این حفرهها را با تیغههای ریز ترکیب کرده بود که با سرعتی تا ۱۳ هزار دور در دقیقه میچرخیدند و نیروی برآی پایدار و شبیه بالگرد تولید میکردند.
یک میکروفلایر در حال پرواز، تغذیهشده با امواج فراصوت (منبع تصویر: EPFL/MICROBS، تحت مجوز CC-BY-SA 4.0)
چشمانداز رباتیک پاسخگو به صدا
جانسون هوانگ (Junsun Hwang)، دانشجوی دکتری آزمایشگاه MICROBS و نویسندهی نخست این پژوهش، میگوید این مفهوم با مینیاتوریسازی بیشتر هم سازگار است و میتواند طراحیهای پیشرفتهتری را در مرز میان رباتیک و هوانوردی ممکن کند. ساکار هم چشماندازی فراتر از تکدستگاههای ساده ترسیم میکند: در آینده میتوان چندین سازهی پاسخگو به صدا را در یک دستگاه انعطافپذیر واحد جای داد، بهطوریکه هرکدام به فرکانس متفاوتی واکنش نشان دهند؛ این یعنی بخشهای مختلف یک دستگاه میتوانند بهطور مستقل حرکت، خم یا ارتعاش کنند و در نهایت به رباتهایی برسیم که با شنیدن صدای مناسب، شکل خود را تغییر میدهند. از آنجا که این سازوکار به موتور، چرخدنده یا قطعات مغناطیسی نیازی ندارد، ساخت آنها با روشهای مختلف چاپ سهبعدی و در ابعاد بسیار کوچک و سبک، کاملاً ممکن است.
در دنیایی که اغلب پیشرفتهای رباتیک با تراشههای پیچیدهتر و باتریهای قدرتمندتر همراه است، این تیم دقیقاً در جهت مخالف حرکت کرده و با حذف کامل الکترونیک و باتری، به راهحلی رسیده که میتواند حتی در محیطهایی که با فناوریهای امروزی امکان جاسازی سنسور یا محرک وجود ندارد (مثل داخل بدن انسان یا فضاهای بسیار محدود صنعتی) کاربرد پیدا کند.