Hissəciklərlə zirehlənmiş maye robotlar üçün akustik levitasiya

Hissəciklərlə zirehlənmiş maye robot miniatür sərt robotdan fərqli olaraq, sahə ilə hərəkətə gətirilən yumşaq maşındır. Onun maye gövdəsi formasını dəyişə, maneələrin ətrafından axa, uyğun bir obyekti içinə ala və qonşu robotla birləşə bilər; hissəciklərdən ibarət örtük isə mayenin ətraf mühiti islatmasının qarşısını alır. Hissəciklərlə zirehlənmiş maye robotu, yəni PB-ni təqdim edən, 2025-ci ildə Science Advances jurnalında dərc olunmuş tədqiqatda məsafədən akustik şüalanma qüvvəsi tətbiq etmək üçün 22 mm sonotrodla təchiz edilmiş Hielscher UP400S ultrasəs çeviricisindən (400 W, 24 kHz) istifadə edilmişdir. Bu qüvvə PB-ni adi altlıqlar üzərində itələyir və diyirlədirdi; naviqasiya tapşırıqları üçün çevirici 10 dərəcə maili yerləşdirilmiş, birləşmə üçün isə şaquli istiqamətləndirilmişdi.

Akustik hərəkətə gətirmədən akustik asılı saxlamaya

Həqiqi akustik levitasiya sərhəd şərtini dəyişir. Diyirlənmə müqavimətini dəf etmək üçün yayılan dalğadan istifadə etmək əvəzinə, qarşı-qarşıya yerləşdirilmiş sonotrod və reflektor cütü robotu cazibə qüvvəsinə qarşı saxlayan durğun təzyiq sahəsi yaradır. Döşəmənin aradan qaldırılması bərk səthlə təması ləğv edir, lakin akustik qüvvənin diyirlənmə hərəkətinə çevrilməsinə kömək edən sürtünməni də aradan qaldırır. Buna görə praktik maşına iki funksiya lazımdır: qaldırmaq üçün şaquli tələ və yerdəyişmə üçün müstəqil idarə oluna bilən qradiyent və ya yayılan dalğa. Nəticəni levitasiya, istiqamətləndirmə, birləşmə və səthə qoşulma rejimləri olan hibrid akustik iş hüceyrəsi kimi nəzərdən keçirmək daha məqsədəuyğundur.

Akustik levitasiyanın iş prinsipi

Akustik levitasiya obyekti mexaniki təmas olmadan asılı saxlamaq üçün akustik şüalanma qüvvələrindən istifadə edir. Tipik ultrasəs levitatorunda sonotrod qarşısındakı reflektora doğru yüksək tezlikli səs yayır. Düşən və əks olunan dalğalar interferensiya edərək növbələşən təzyiq düyünləri və qarınları olan durğun dalğa yaradır. Sabit düyünün yaxınlığında yerləşdirilmiş hissəciklərlə zirehlənmiş maye robota cazibə qüvvəsinə qarşı yönələn, zaman üzrə ortalanmış akustik qüvvə təsir edir; təzyiq qradiyentləri isə kiçik yerdəyişmələri geri qaytarır və robotu tələdə saxlayır. Reflektorla ara məsafəsi, akustik tezlik və rəqs amplitudası robotun ölçüsünə, kütləsinə və formasına uyğun tənzimlənməlidir. Əlavə ultrasəs buynuzları və ya akustik sahənin idarə olunan hərəkəti yan istiqamətdə yönləndirməni, fırlanmanı və səthə qoşulmanı təmin edə bilər. Mayenin daxilində qabarcıqların böyüməsini və çökməsini əhatə edən akustik kavitasiyadan fərqli olaraq, akustik levitasiya əsasən ətrafdakı hava vasitəsilə ötürülən şüalanma təzyiqinə əsaslanır. Bununla belə, həddindən artıq səs təzyiqindən qaçmaq lazımdır, çünki o, maye nüvəni deformasiya edə, zireh hissəciklərini yerindən qopara və ya robotun sabitliyini poza bilər.

Qaldırma mexanizmi kimi levitasiya

Akustik enerjinin hava vasitəsilə ötürüldüyü levitatorda tələb olunan qüvvə səs sahəsinin səpilməsi və udulması nəticəsində yaranan, zaman üzrə ortalanmış akustik şüalanma qüvvəsidir. Reflektor düşən dalğanı ultrasəs buynuzuna doğru geri qaytarır və iki dalğa interferensiya edərək düyünlər və qarınlar yaradır. Yuxarı yönələn şüalanma qüvvəsi obyektin çəkisini tarazlaşdırdıqda və qüvvə qradiyenti kiçik yerdəyişmələri geri qaytardıqda, havadakı sıx, millimetr ölçülü obyekt sabit təzyiq düyününün yaxınlığında tələyə alına bilər. Kavitasiya isə mənfi təzyiq dövrlərinin qabarcıqları hərəkətə gətirdiyi zaman mayenin daxilində baş verir. Bu iki hadisə yalnız damcıya kifayət qədər akustik enerji daxil olduqda birgə mövcud ola bilər, lakin onları bir-biri ilə qarışdırmaq olmaz.

Hissəciklərlə zirehlənmiş maye robotlar nədir?

Adi maye kürəciklər hidrofob tozla örtülmüş damcılardır. Kapilyar qüvvələr hissəcikləri maye–qaz sərhədində saxlayır və hissəciklərin yenidən düzülməsi səthə qabıq kimi davranmaq xüsusiyyəti verir. PB konsepsiyası mayenin vahid həcminə xeyli daha çox hissəcik əlavə etməklə bu quruluşu möhkəmləndirir. Bildirilən hazırlanma üsulunda düzbucaqlı paralelpiped formasında buz prekursoru bazal müstəvidə orta diametri 34 mikrometr olan pulcuqşəkilli PTFE hissəcikləri ilə örtülmüşdü. Buz əriyib həcmi kiçildikdə, hissəciklər uzunsov su nüvəsinin ətrafında sıx, bərabər paylanmış təbəqə əmələ gətirərək bir-birinə sıxışmışdı.
Tədqiq edilmiş həndəsi formalar üçün PB-lər adi maye kürəciklərdən təxminən 59% daha çox hissəcik kütləsi daşıyırdı və bildirilən sıx yerləşmə əmsalı 0,956 əvəzinə 0,983 idi. Maye həcmi 75 kub millimetr olduqda, təxminən 1,55 olan uzunluq/en nisbəti ölçülmüş ən yüksək sıxılma müqavimətini təmin etmişdi; onun maksimum sıxılma qüvvəsi müqayisə edilən maye kürəciyinkindən 252% böyük idi. Həddindən artıq incə və uzun forma yan tərəfləri zəiflədirdi, buna görə daha çox zireh və daha çox uzanma avtomatik olaraq daha yaxşı nəticə vermir.
Hərəkətli səth hissəciklərinin bu ehtiyatı PB-yə fazalararası səthin sahəsindəki müvəqqəti artımlara tab gətirməyə imkan verir. Bildirilən robotlar hidrofil sütun sıralarının arasından sıxılaraq keçmiş, hidrofil şüşə kürəcikləri içinə almış, şaquli akustik yüklənmə altında birləşmiş, suyun səthi boyunca sürüşmüş, reagentləri daşımış və səthi aktiv maddə zirehi parçaladıqda içindəkiləri boşaltmışdı. Burada robot sözü xaricdən idarə olunan, tapşırıqları yerinə yetirə bilən maddəni ifadə edir; PB-nin özündə icra mexanizmi, sensor və ya enerji mənbəyi yoxdur.