Акустична левитация на течни роботи с броня от частици

Течният робот с броня от частици е мека машина, задвижвана чрез поле, а не миниатюрен твърд робот. Течното му тяло може да променя формата си, да обтича препятствия, да поглъща съвместим обект и да се слива със съседен робот, докато обвивката от частици предотвратява омокрянето на околната среда от течността. В изследването от 2025 г. в Science Advances, което представя течния робот с броня от частици, или PB, е използван ултразвуков преобразувател Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) със сонотрод 22 mm за прилагане на акустична радиационна сила от разстояние. Силата избутва и търкаля PB по обикновени подложки; преобразувателят е наклонен на 10 градуса за задачи по навигация и е ориентиран вертикално за сливане.

От акустично задвижване към акустично задържане във въздуха

Истинската акустична левитация променя граничното условие. Вместо да използва бягаща вълна за преодоляване на съпротивлението при търкаляне, двойка от сонотрод и разположен срещу него отражател създава стоящо поле на налягането, което поддържа робота срещу действието на гравитацията. Премахването на опорната повърхност елиминира контакта с твърдо тяло, но премахва и триенето, което е помагало за преобразуването на акустичната сила в движение чрез търкаляне. Затова една практична машина се нуждае от две функции: вертикален капан за повдигане и независимо управляем градиент или бягаща вълна за постъпателно движение. Резултатът най-добре може да се разглежда като хибридна акустична работна клетка с режими за левитация, насочване, сливане и скачване.

Принцип на действие на акустичната левитация

Акустичната левитация използва акустични радиационни сили за задържане на обект без механичен контакт. В типичен ултразвуков левитатор сонотрод излъчва високочестотен звук към разположен срещу него отражател. Падащите и отразените вълни интерферират и образуват стояща вълна с редуващи се възли и пучности на налягането. Течен робот с броня от частици, поставен близо до стабилен възел, изпитва усреднена във времето акустична сила, която противодейства на гравитацията, докато градиентите на налягането компенсират малки отклонения и задържат робота в капана. Разстоянието до отражателя, акустичната честота и амплитудата на вибрациите трябва да бъдат настроени според размера, масата и формата на робота. Допълнителни акустични рупори или контролирано движение на акустичното поле могат да осигурят странично насочване, въртене и скачване. За разлика от акустичната кавитация, която включва нарастване и колапс на мехурчета в течност, акустичната левитация разчита предимно на радиационно налягане, предавано през околния въздух. Въпреки това прекомерното звуково налягане трябва да се избягва, защото може да деформира течното ядро, да отдели частици от бронята или да дестабилизира робота.

Левитацията като механизъм за повдигане

В левитатор с предаване на звука през въздуха желаната сила е усреднената във времето акустична радиационна сила, създавана от разсейването и поглъщането на звуковото поле. Отражател връща падащата вълна към рупора и двете вълни интерферират, образувайки възли и пучности. Плътен обект с милиметрови размери във въздуха може да бъде задържан близо до стабилен възел на налягането, когато насочената нагоре радиационна сила уравновесява теглото му и градиентът на силата компенсира малки отклонения. За разлика от това кавитацията възниква в течност, когато цикли на отрицателно налягане въздействат върху мехурчетата. Двете явления могат да съществуват едновременно само ако достатъчно акустична енергия навлезе в капката, но не бива да се смесват.

Какво представляват течните роботи с броня от частици?

Обикновените течни топчета са капки, покрити с хидрофобен прах. Капилярните сили задържат частиците на границата между течността и газа, а пренареждането на частиците придава на повърхността поведение, подобно на обвивка. Концепцията PB укрепва тази структура чрез добавяне на значително повече частици на единица обем течност. При описания метод за изработване ледена заготовка с форма на правоъгълен паралелепипед е покрита с люсповидни частици PTFE със среден диаметър в базалната равнина от 34 микрометра. Когато ледът се стопява и се свива, частиците се заклинват в плътен, равномерно разпределен слой около издължено водно ядро.
При изследваните геометрии PB съдържат около 59% повече маса от частици в сравнение с обикновените течни топчета, като отчетеният коефициент на уплътняване е 0,983 вместо 0,956. При обем на течността от 75 кубични милиметра съотношение на размерите около 1,55 дава най-високата измерена устойчивост на натиск; максималната сила на натиск е с 252% по-голяма от тази на сравнителното течно топче. Прекалено тънката и издължена форма отслабва страничните части, така че повече броня и по-голямо удължаване не означават автоматично по-добър резултат.
Този запас от подвижни повърхностни частици позволява на PB да издържа на преходни увеличения на площта на междуфазовата граница. Описаните роботи се промъкват през масиви от хидрофилни стълбчета, поглъщат хидрофилни стъклени микросфери, сливат се при вертикално акустично натоварване, плъзгат се по водата, пренасят реагенти и освобождават съдържанието си, когато повърхностноактивно вещество разруши бронята. Думата робот тук описва външно управлявана материя, способна да изпълнява задачи; PB няма вграден задвижващ механизъм, сензор или източник на енергия.