Акустична левитация за течни роботи с броня от частици

Течният робот с броня от частици е мека машина, задвижвана от външно поле, а не миниатюрен твърд робот. Течното му тяло може да променя формата си, да обтича препятствия, да обгръща съвместим обект и да се слива със съседен, докато повърхността от частици предотвратява течността да намокри околната среда. В проучването, публикувано в списанието „Science Advances“ през 2025 г., в което беше представен течният робот с броня от частици (Particle-armored liquid roBot или PB), беше използван ултразвуков преобразувател Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) с сонотрод с диаметър 22 mm за упражняване на акустична радиационна сила от разстояние. Силата изтласкваше и преместваше PB по обикновени повърхности; преобразувателят беше наклонен под ъгъл от 10 градуса за навигационни задачи и ориентиран вертикално за сливане.

От акустично задвижване към акустична суспензия

Истинската акустична левитация променя граничните условия. Вместо да се използва прогресивна вълна за преодоляване на съпротивлението при въртене, противоположната двойка сонотрод-рефлектор създава стоящо поле на налягане, което поддържа робота срещу силата на гравитацията. Премахването на пода елиминира контакта с твърда повърхност, но също така премахва и триенето, което спомагаше за превръщането на акустичната сила в въртеливо движение. Следователно една практична машина се нуждае от две функции: вертикална камера за подем и независимо управляем градиент или прогресивна вълна за преместване. Резултатът може най-добре да се разглежда като хибридна акустична работна клетка с режими на левитация, управление, сливане и скачване.

Принципът на действие на акустичната левитация

Акустичната левитация използва сили на акустично излъчване, за да задържи обект във въздуха без механичен контакт. В типичен ултразвуков левитатор сонотрод излъчва високочестотен звук към разположен срещу него рефлектор. Падащите и отразените вълни интерферират, образувайки стояща вълна, съдържаща редуващи се възли и антивъзли на налягането. Течен робот с броня от частици, поставен в близост до стабилен възел, изпитва средна по време акустична сила, която противодейства на гравитацията, докато наклонът на налягането възстановява малките измествания и задържа робота на място. Разстоянието между рефлекторите, акустичната честота и амплитудата на вибрациите трябва да бъдат настроени според размера, масата и формата на робота. Допълнителни рога или контролирано движение на акустичното поле могат да осигурят странично управление, въртене и скачване. За разлика от акустичната кавитация, която включва образуването и разрушаването на мехурчета в течността, акустичната левитация разчита предимно на налягането на излъчването, предавано чрез околния въздух. Въпреки това трябва да се избягва прекомерното звуково налягане, тъй като то може да деформира течностното ядро, да откъсне частици от бронята или да дестабилизира робота.

Левитацията като механизъм за повдигане

При левитатор с въздушно свързване желаната сила е средната по време акустична радиационна сила, създадена от разсейването и абсорбцията на звуковото поле. Отражател изпраща падащата вълна обратно към рога, като двете вълни интерферират, за да образуват възли и антивъзли. Плътен милиметров обект във въздуха може да бъде задържан в близост до стабилен възел на налягането, когато възходящата сила на излъчването уравновесява теглото му, а градиентът на силата възстановява малките премествания. Кавитацията, от друга страна, възниква във вътрешността на течност, когато циклите на отрицателно налягане предизвикват образуването на мехурчета. Двете явления могат да съществуват едновременно само ако в капката постъпи достатъчно количество акустична енергия, но те не трябва да се смесват.

Какво представляват течните роботи с брони от частици?

Обичайните „течни мраморчета“ са капчици, покрити с хидрофобен прах. Капилярните сили задържат частиците на границата между течността и газа, а прегрупирането на частиците придава на повърхността реакция, наподобяваща черупка. Концепцията PB укрепва тази архитектура чрез нанасяне на значително по-голям брой частици на единица обем течност. В описания метод на изработка кубоиден леден прекурсор беше покрит с люспести частици от PTFE със среден диаметър на основата от 34 микрометра. Когато ледът се стопи и сви, частиците се натъпкаха в плътен, равномерно разпределен слой около удължено водно ядро.
При изследваните геометрии PB-те носеха с около 59 % повече маса на частиците в сравнение с конвенционалните течни топчета, като отчетеният коефициент на уплътняване беше 0,983, а не 0,956. При обем на течността от 75 кубични милиметра съотношението между дължина и ширина, близко до 1,55, даде най-високата измерена устойчивост на сгъстяване; максималната му сила на сгъстяване беше с 252% по-голяма от тази на сравнителната течна топка. Прекалено тънката форма отслабваше стените, така че повече „брониране“ и по-голямо удължение не са автоматично по-добри.
Този запас от подвижни повърхностни частици позволява на PB да издържи кратковременни увеличения на междуфазовата площ. Описаните роботи са се провирали през масиви от хидрофилни стълбове, поглъщали хидрофилни стъклени перли, сливали се под въздействието на вертикално акустично натоварване, плъзгали се по повърхността на водата, транспортирали реагенти и изпускали съдържанието си, когато повърхностноактивно вещество разкъсвало бронята им. Думата „робот“ тук описва външно контролирана материя, способна да изпълнява задачи; PB няма вграден задвижващ механизъм, сензор или източник на енергия.