الارتفاع الصوتي للروبوتات السائلة المصفحة بالجسيمات
الروبوت السائل المُدرَّع بالجسيمات هو آلة لينة تعمل بالتحفيز الميداني، وليس روبوتًا صلبًا مصغرًا. يمكن لجسمه السائل تغيير شكله، والتدفق حول العوائق، وابتلاع جسم متوافق، والاندماج مع جسم مجاور، بينما تمنع الطبقة الخارجية المكونة من الجسيمات السائل من ترطيب البيئة المحيطة. استخدمت الدراسة التي نُشرت عام 2025 في مجلة «Science Advances» والتي قدمت الروبوت السائل المُدرع بالجسيمات، أو PB، محولًا فوق صوتيًّا من طراز Hielscher UP400S (400 واط، 24 كيلوهرتز) مزودًا بسونوترويد قطره 22 ملم لممارسة قوة إشعاع صوتي من مسافة بعيدة. دفعت هذه القوة الروبوت PB ودحرجته عبر أسطح عادية؛ وتم إمالة المحول بمقدار 10 درجات لأغراض الملاحة وتوجيهه عموديًا لأغراض الاندماج.
من الدفع الصوتي إلى التعليق الصوتي
يُحدث الارتفاع الصوتي الحقيقي تغييرًا في الشرط الحدودي. فبدلاً من استخدام موجة متدرجة للتغلب على مقاومة الدوران، يُنتج زوج من السونوترويد والعاكس المتقابلين مجال ضغط ثابتًا يدعم الروبوت في مواجهة الجاذبية. وتؤدي إزالة الأرضية إلى القضاء على التلامس مع سطح صلب، ولكنها تزيل أيضًا الاحتكاك الذي كان يساعد في تحويل القوة الصوتية إلى حركة دوران. لذلك، تحتاج الآلة العملية إلى وظيفتين: مصيدة رأسية للرفع، وموجة متدرجة أو متصاعدة قابلة للتحكم بشكل مستقل من أجل الحركة الأفقية. ويمكن النظر إلى النتيجة على أنها خلية عمل صوتية هجينة مزودة بأوضاع التحليق والتوجيه والاندماج والالتحام.
اكتشف كيف يمكن لنظام الموجات فوق الصوتية من Hielscher، الذي يتم التحكم فيه بدقة، أن يتيح التحليق بدون تلامس للروبوتات السائلة المصفحة بالجسيمات. تحدث إلى متخصصي الموجات فوق الصوتية لدينا حول اختبار فكرتك.
جهاز التعليق الصوتي UP400St (400 واط، 24 كيلوهرتز) يحمل جسيمًا معلقًا في الهواء
مبدأ عمل الرفع الصوتي
يعتمد الرفع الصوتي على قوى الإشعاع الصوتي لتعليق جسم ما دون أي تلامس ميكانيكي. في جهاز الرفع بالموجات فوق الصوتية النموذجي، يُرسل «سونوترويد» موجات صوتية عالية التردد باتجاه عاكس يقع في الجهة المقابلة. تتداخل الموجات الساقطة والمنعكسة لتشكل موجة واقفة تحتوي على نقاط ضغط وعقد متناوبة. يتعرض الروبوت السائل المصفح بالجسيمات والموضوع بالقرب من عقدة ثابتة لقوة صوتية متوسطة زمنياً تعادل الجاذبية، بينما تعمل تدرجات الضغط على استعادة الإزاحة الصغيرة وإبقاء الروبوت محبوساً. يجب ضبط تباعد العاكسين والتردد الصوتي وسعة الاهتزاز وفقاً لحجم الروبوت وكتلته وشكله. ويمكن أن توفر الأبواق الإضافية أو الحركة المتحكم فيها للمجال الصوتي إمكانية التوجيه الجانبي والدوران والالتحام. وعلى عكس التكهف الصوتي، الذي ينطوي على نمو وانهيار الفقاعات داخل السائل، يعتمد التحليق الصوتي في المقام الأول على ضغط الإشعاع المنقول عبر الهواء المحيط. ومع ذلك، يجب تجنب الضغط الصوتي المفرط لأنه يمكن أن يؤدي إلى تشوه قلب السائل، أو إزاحة جزيئات الدرع، أو زعزعة استقرار الروبوت.
الارتفاع عن الأرض كآلية رفع
في جهاز التعليق الهوائي، تكون القوة المطلوبة هي متوسط قوة الإشعاع الصوتي على مدار الزمن، والتي تنشأ عن تشتت وامتصاص المجال الصوتي. يقوم عاكس بإعادة الموجة الساقطة نحو البوق، وتتداخل الموجتان لتنتجا عقدًا وعقدًا معاكسًا. يمكن احتجاز جسم كثيف بحجم المليمتر في الهواء بالقرب من عقدة ضغط مستقرة عندما تتوازن قوة الإشعاع الصاعدة مع وزنه ويؤدي تدرج القوة إلى إعادة الإزاحة الصغيرة. على النقيض من ذلك، يحدث التجويف داخل السائل عندما تؤدي دورات الضغط السلبي إلى تكوين فقاعات. لا يمكن أن تتعايش الظاهرتان إلا إذا دخلت طاقة صوتية كافية إلى القطرة، ولكن لا ينبغي الخلط بينهما.
الرفع الصوتي لكرة صلبة صغيرة عند عقدة الضغط لموجة واقفة مستوية تم إنشاؤها بين محول / رافع وعاكس.
(دراسة وصور: © Andrade et al. 2018)
ما هي الروبوتات السائلة المُدرعة بالجسيمات؟
الكرات السائلة التقليدية هي قطرات مغطاة بمسحوق كاره للماء. وتعمل القوى الشعرية على تثبيت الجسيمات عند السطح الفاصل بين السائل والغاز، ويؤدي إعادة ترتيب الجسيمات إلى إعطاء السطح استجابة تشبه القشرة. ويُعزز مفهوم PB هذه البنية من خلال تحميل عدد أكبر بكثير من الجسيمات لكل وحدة حجم سائل. في مسار التصنيع المذكور، تم تغليف مادة أولية جليدية على شكل متوازي أضلاع بجزيئات PTFE تشبه الرقائق يبلغ متوسط قطر مستواها القاعدي 34 ميكرومترًا. وعندما ذاب الجليد وانكمش، انحشرت الجزيئات لتشكل طبقة كثيفة موزعة بشكل متجانس حول نواة مائية ممدودة.
بالنسبة للأشكال الهندسية التي تمت دراستها، حملت كرات PB كتلة جسيمات أكبر بنحو 59% مقارنةً بالكرات السائلة التقليدية، حيث بلغت نسبة التعبئة المبلغ عنها 0.983 بدلاً من 0.956. وعند حجم سائل يبلغ 75 ملم مكعب، أعطت نسبة العرض إلى الارتفاع القريبة من 1.55 أعلى مقاومة ضغط تم قياسها؛ وكانت قوة الضغط القصوى لها أكبر بنسبة 252٪ من تلك الخاصة بالكرة الزجاجية السائلة المقارنة. وقد أدى الشكل النحيل جدًّا إلى إضعاف الجوانب، لذا فإن زيادة الدرع والاستطالة لا تعنيان بالضرورة أن النتيجة ستكون أفضل.
يتيح هذا الاحتياطي من الجسيمات السطحية المتحركة للـ«PB» الصمود أمام الزيادات المؤقتة في مساحة السطح البيني. وقد أُبلغ عن روبوتات تمكنت من التسلل عبر مصفوفات من الأعمدة المائية، وابتلعت حبيبات زجاجية مائية، واندمجت تحت تأثير الحمل الصوتي الرأسي، وانزلقت فوق سطح الماء، ونقلت المواد الكيميائية، وأفرغت محتوياتها عندما كسر مادة خافضة للتوتر السطحي درعها. وتشير كلمة «روبوت» هنا إلى مادة قابلة للتحكم من الخارج وقادرة على أداء المهام؛ ولا يحتوي «PB» على أي مشغل أو مستشعر أو مصدر طاقة داخلي.
روبوت سائل مدرع بالجسيمات
الدراسة والصورة: ©Jeon وآخرون، 2025
يقوم جهاز الرفع الصوتي UP400St، الذي تبلغ قوته 400 واط، برفع جسيم صغير في نقطة ضغط ثابتة، مما يثبت إمكانية تحديد الموقع الصوتي بدقة دون ملامسة السطح.
لماذا يُعد الارتفاع الصوتي مفيدًا للروبوتات السائلة؟
إنها تزيل أكثر الواجهات الميكانيكية إزعاجًا
يُعرّض التنقل على الأسطح الروبوت السائل للاحتكاك، والخشونة، والالتصاق، والتلوث، والتبلل غير المتوقع. أما الارتفاع عن السطح فيستبدل هذا التلامس بمجال قابل للبرمجة. ويمكن أن يحافظ ذلك على الغلاف الجزيئي الحساس، ويمنع فقدان الحمولة عالية النقاء، ويسمح للروبوت بالمرور فوق الفجوات أو الأسطح التي من شأنها أن تعلق قطرة الماء. كما يجعل هذه الطريقة متوافقة مع الحمولات الكهربائية المحايدة وغير المغناطيسية، وبالتالي لا يلزم تحميل الدرع بمواد مضافة تستجيب للمجال.
إنه يُنشئ مفاعلًا صغيرًا بدون حاوية
تُعد حبيبة PB المعلقة حزمة متحركة ووعاء تفاعل صغير في آن واحد. ويمكن لمصائد متعددة أن تفصل بين الكواشف؛ ومن ثم يمكن للحركة المُتحكَّم فيها أن تجعل الروبوتات تتلامس لبدء عملية الاندماج. وقد أثبتت دراسات الارتفاع الصوتي التي أُجريت على الكرات السائلة التقليدية بالفعل إمكانية فتح الغلاف بشكل مُتحكَّم فيه، والاندماج، وتفاعل مؤشر مُحفَّز. ومن المفترض أن يؤدي الغلاف الأقوى لـ PB إلى توسيع نطاق المناورة القابل للاستخدام، على الرغم من أن هذه الميزة المحددة لم تُقاس بعد في الهواء.
وهي تتيح أوضاعًا جديدة للقياس والنقل
بفضل الدعم الصوتي للجاذبية، يمكن للكاميرات قياس التشوه الحر، وانثناء الغلاف، والدوران، والتبخر دون الحاجة إلى نقطة تلامس. يمكن للجهاز نقل وحدة PB بين ثلاث بيئات تشغيلية: التحليق للنقل النظيف، والالتحام بسطح ما من أجل الاختراق أو التقاط البضائع، والعودة إلى المصيدة من أجل التفاعل أو الفحص. يحافظ هذا التسلسل الهجين على أقوى السلوكيات السطحية للورقة مع إضافة طبقة نقل خالية من التلامس.
الارتفاع عن سطح السائل لا يعني بالضرورة أنه أكثر لطفًا. فارتفاع ضغط الصوت يمكن أن يؤدي إلى تسطيح القطرة، أو تحفيز الدوران الداخلي، أو تسخين السائل، أو إزالة الجسيمات، أو رش السطح البيني. وتقع نطاق التشغيل القابل للاستخدام بين الحد الأدنى من الضغط اللازم لاحتجاز PB وأول علامة على إعادة ترتيب الغلاف بشكل لا رجعة فيه. ويجب تحديد هذا النطاق لكل تركيبة من الحجم، ونسبة العرض إلى الارتفاع، والسائل الأساسي، ومادة الدرع.
يقوم جهاز التعليق الصوتي UP100H بتعليق قطرة سائلة في مجال فوق صوتي ثابت، مما يتيح معالجتها دون تلامس.
مزايا أجهزة الرفع بالموجات فوق الصوتية من شركة Hielscher
سلسلة تجريبية مباشرة
استفد من نقاط البداية المحددة التي نشرها جيون وزملاؤه (2025). استخدمت دراسة PB جهاز Hielscher UP400S بتردد 24 كيلوهرتز وقوة 400 واط مع سونوترويد قطره 22 ملم. والانتقال إلى النموذج الرقمي UP400St يحافظ على نفس فئة القدرة والتردد الاسمية مع إضافة تحكم حديث وإعدادات قابلة للبرمجة وتسجيل البيانات. وهذا يقلل من عدم اليقين في قناة توجيه الموجات التقدمية، على الرغم من أن تجويف الموجة الواقفة يظل نظامًا فرعيًّا جديدًا.
سعة عالية مع إمكانية ضبط عملية
يقوم جهاز الموجات فوق الصوتية UP400St بتعليق الجسيمات الصلبة والسائلة بشكل موثوق. ويمكن أن يصل إزاحة السونوترويد إلى 118 ميكرومتر عند الإعداد بنسبة 100٪. يوفر جهاز UP400St إمكانية ضبط السعة من 20 إلى 100٪، وتشغيلًا بفواصل زمنية قابلة للبرمجة، وضبطًا تلقائيًا للتردد، ومجموعة متنوعة من السونوترويدات للاختيار من بينها، بما في ذلك طراز التيتانيوم مقاس 22 مم المستخدم في الدراسة التي أجراها Jeon وآخرون، عام 2025. يدعم هذا المزيج رسم خرائط العتبة، والارتفاعات التدريجية اللطيفة، والنبضات القابلة للتكرار بدلاً من نقطة تشغيل واحدة للتشغيل/الإيقاف.
الأجهزة والأتمتة
يقوم جهاز UP400St بتسجيل السعة والطاقة والزمن ودرجة الحرارة على بطاقة SD، ويمكن مراقبته أو التحكم فيه من خلال واجهة متصفح. وتُعد هذه الميزات مفيدة بشكل غير عادي بالنسبة لجهاز تعليق بحثي، لأن الاستقرار الصوتي يتأثر بالانحراف الحراري والهندسة والحمل. ويمكن مزامنة الإعدادات المسجلة مع الموقع والتشوه المستمدين من الكاميرا لإنتاج خريطة تشغيل قابلة للتكرار.
مسار من مرحلة النموذج الأولي إلى التركيب المتين
يمكن تركيب أجهزة الرفع من طراز Hielscher بشكل فردي أو متوازي؛ كما تتوفر أجهزة رفع مخصصة حسب الطلب. يتميز جهاز UIP500hdT بفصل المولد عن المحول، ويستخدم محولًا مصنفًا بمعيار IP64، وهو ما يجعله خيارًا جذابًا عندما يتعين على الغلاف أن يتحمل الرطوبة أو الانكسار العرضي للروبوت. هذه ادعاءات من الشركة المصنعة ويجب التحقق منها بمقارنتها بالتكوين المحدد في عرض الأسعار.
بالنسبة للرفع الصوتي، تقدم شركة Hielscher ثلاثة أنواع قياسية من أجهزة الرفع:
- UP100H – جهاز رفع 30 كيلو هرتز ، 100 واط
- UP400St – رافع 24 كيلو هرتز ، 400 واط
- UIP500hdT – رافع 20 كيلو هرتز ، 500 واط
ارفع روبوتاتك السائلة بثقة باستخدام تقنية التعليق!
الأسئلة الشائعة حول الرفع الصوتي والروبوتات السائلة
ما هو التحليق الصوتي؟
الارتفاع الصوتي هو طريقة لا تتطلب التلامس لتعليق جسم ما وتحديد موضعه باستخدام الصوت. يعمل جهاز إرسال الموجات فوق الصوتية وجهاز عاكسها على توليد موجة ضغط ثابتة، ويمكن لقوة الإشعاع الصوتي الناتجة أن توازن قوة الجاذبية وتثبت الجسم بالقرب من عقدة ضغط مستقرة.
اقرأ المزيد عن الرفع الصوتي وتطبيقاته!
كيف يعمل جهاز التعليق بالموجات فوق الصوتية؟
يعمل جهاز التعليق بالموجات فوق الصوتية على توجيه موجات صوتية عالية التردد من سونوترويد نحو عاكس مقابل. وتتداخل الموجات الساقطة والمنعكسة لتشكل نقاطًا وعقدًا. وعندما يتم ضبط الضغط الصوتي والمسافة بين العاكسين وموضع الجسم بشكل صحيح، يمكن حبس جسيم أو قطرة في عقدة مستقرة.
ما هو الروبوت السائل المُدرَّع بالجسيمات؟
الروبوت السائل المُدرَّع بالجسيمات هو جسم سائل قابل للتشوه محاط بقشرة كثيفة من الجسيمات الكارهة للماء. يحد هذا الدرع من التبلل ويساعد الروبوت على الاحتفاظ بمحتوياته أثناء تحركه، أو تغيير شكله، أو اندماجه مع قطرات أخرى، أو نقل حمولات صغيرة.
كيف يختلف الروبوت السائل المُدرَّع بالجسيمات عن الكرة الزجاجية السائلة؟
يتألف كلا النظامين من سائل محاط بجزيئات كارهة للماء. ومع ذلك، يتميز الروبوت السائل المُدرَّع بالجزيئات بقشرة من الجزيئات شديدة الكثافة ومقاومة ميكانيكيًا، مصممة لدعم الحركة المتحكم بها والقيام بالمهام الوظيفية. كما تسمح الجزيئات السطحية الإضافية لهذه القشرة بإعادة ترتيب نفسها مع تشوه الجسم السائل.
هل يمكن لأجهزة الموجات فوق الصوتية من شركة «هيلشر» أن تجعل الروبوتات السائلة المُدرعة بالجسيمات ترتفع في الهواء؟
يمكن تهيئة معدات «هيلشر» (Hielscher) للموجات فوق الصوتية من أجل التحليق الصوتي بالموجات الواقفة، وقد استُخدم جهاز «هيلشر UP400S» بالفعل لتشغيل روبوتات سائلة مدرعة بالجسيمات على الأسطح الصلبة. ولا يزال التحليق المباشر في الهواء لهذه الروبوتات المحددة مفهومًا هندسيًّا يجب التحقق من صحته تجريبيًّا من حيث استقرار المصيدة، والتسخين، والتشوه، وفقدان الجسيمات.
ما هو جهاز الموجات فوق الصوتية من Hielscher المناسب لأبحاث الارتفاع الصوتي؟
يُعد جهاز Hielscher UP400St، الذي تبلغ قدرته 400 واط وتردده 24 كيلوهرتز، نقطة انطلاق منطقية للتطوير المختبري لأنه يوفر سعة قابلة للتعديل، وتشغيلًا نبضيًّا، وضبطًا تلقائيًّا للتردد، وتسجيلًا لبيانات العملية. وتعتمد اختيار جهاز الصوتيات المناسب، وشكل السونوترويد والعاكس في النهاية على أبعاد الروبوت وكتلته وشكله وأنماط التشغيل المطلوبة.
ما الفرق بين الارتفاع الصوتي والتجويف الصوتي؟
يعتمد التحليق الصوتي بشكل أساسي على ضغط الإشعاع في الغاز، وعادةً ما يكون الهواء، لتعليق جسم ما. أما التكهف الصوتي فيحدث داخل السائل عندما تؤدي دورات الضغط إلى نمو الفقاعات وانهيارها. ويمكن أن يولد التكهف قصًّا شديدًا ونفثات صغيرة وتسخينًا، لذا لا ينبغي الخلط بينه وبين آلية الموجة الواقفة الأكثر اعتدالًا المستخدمة في التحليق الروتيني.
لماذا يُعد الرفع الصوتي مفيدًا للروبوتات السائلة؟
يؤدي التحليق إلى إزالة التلامس مع الأسطح الصلبة، وبالتالي يقلل من الاحتكاك والالتصاق والتلوث والترطيب غير المنضبط. ويمكن أن يتيح ذلك النقل النظيف، وإجراء التفاعلات دون الحاجة إلى حاويات، وفحص روبوت سائل دون الحاجة إلى ركيزة داعمة. كما يمكن تحويل الروبوت بين وضعي التشغيل: وضع التحليق ووضع التشغيل على السطح.
هل يمكن للارتفاع الصوتي توجيه الروبوتات السائلة أو تدويرها أو دمجها؟
نعم، لكن التعليق الرأسي وحده لا يكفي. يمكن توليد الحركة الجانبية عن طريق تحريك المصيدة الصوتية، أو تغيير موضع العاكس، أو تطبيق تدرج ضغط مُحكَم باستخدام مصدر إضافي للموجات فوق الصوتية. ويمكن أن تساعد المعلومات المرتدة من الكاميرا في تنظيم عمليات التوجيه، والدوران، والالتحام، والاندماج المُحكَم بين عدة روبوتات.
الأدب / المراجع
- Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots.Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
- Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
- Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
- Wonhyuk Jo, Johannes Möller, Jörg Hallmann, James Wrigley, Jan-Etienne Pudell, Ulrike Boesenberg, Felix Brausse, Angel Rodriguez-Fernandez, Alexey Zozulya, Roman Shayduk, Anders Madsen (2025): MHz X-ray photon correlation spectroscopy using an acoustic levitator at the European XFEL. Journal of Synchrotron Radiation 32, 2025. 669–677.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.