Akustična levitacija za tekuće robote oklopljene česticama

Tekući robot oklopljen česticama je meka mašina pokretana poljem, a ne minijaturni kruti robot. Njegovo tekuće tijelo može mijenjati oblik, opticati prepreke, obuhvatiti kompatibilan objekt i spojiti se sa susjednim robotom, dok čestična koža sprečava da tekućina kvasi okolinu. Studija objavljena 2025. u časopisu Science Advances, koja je uvela tekućeg robota oklopljenog česticama (Particle-armored liquid roBot, PB), koristila je Hielscher ultrazvučni pretvarač UP400S (400 W, 24 kHz) sa sonotrodom od 22 mm kako bi s udaljenosti ostvarila akustičnu radijacijsku silu. Sila je gurala i kotrljala PB po uobičajenim podlogama; pretvarač je za zadatke navigacije bio nagnut pod 10 stepeni, a za spajanje usmjeren vertikalno.

Od akustičnog pogona do akustične suspenzije

Prava akustična levitacija mijenja granični uvjet. Umjesto progresivnog vala koji savladava otpor kotrljanja, suprotstavljeni par sonotroda–reflektor stvara stojeće polje pritiska koje nosi robota nasuprot gravitaciji. Uklanjanje podloge eliminira kruti kontakt, ali uklanja i trenje koje je pomagalo da se akustična sila pretvori u kotrljanje. Praktična mašina stoga treba dvije funkcije: vertikalnu zamku za podizanje i neovisno upravljiv gradijent ili progresivni val za translaciju. Rezultat se najbolje shvata kao hibridna akustična radna ćelija s načinima rada levitacija, upravljanje, spajanje i pristajanje.

Podignite tekuću robotiku pomoću akustične levitacije!
Istražite kako bi precizno kontroliran Hielscher ultrazvučni sistem mogao omogućiti beskontaktnu levitaciju tekućih robota oklopljenih česticama. Razgovarajte s našim stručnjacima za ultrazvuk o testiranju vašeg koncepta.

Princip rada akustične levitacije

Akustična levitacija koristi akustične radijacijske sile za suspendiranje objekta bez mehaničkog kontakta. U tipičnom ultrazvučnom levitatoru sonotroda emituje visokofrekventni zvuk prema suprotstavljenom reflektoru. Upadni i reflektirani valovi interferiraju i tvore stojeći val s naizmjeničnim čvorovima i trbusima pritiska. Tekući robot oklopljen česticama postavljen u blizini stabilnog čvora doživljava vremenski usrednjenu akustičnu silu koja djeluje protiv gravitacije, dok gradijenti pritiska vraćaju male pomake i drže robota u zamci. Razmak reflektora, akustična frekvencija i amplituda vibracija moraju se podesiti prema veličini, masi i obliku robota. Dodatni rogovi ili kontrolirano pomicanje akustičnog polja mogu osigurati bočno upravljanje, rotaciju i pristajanje. Za razliku od akustične kavitacije, koja uključuje rast i kolaps mjehurića unutar tekućine, akustična levitacija se prvenstveno oslanja na radijacijski pritisak koji se prenosi kroz okolni zrak. Pretjeran zvučni pritisak ipak treba izbjegavati jer može deformirati tekuću jezgru, istisnuti čestice oklopa ili destabilizirati robota.

Levitacija kao mehanizam podizanja

U levitatoru spregnutom zrakom željena sila je vremenski usrednjena akustična radijacijska sila nastala raspršenjem i apsorpcijom zvučnog polja. Reflektor šalje upadni val natrag prema rogu, a dva vala interferiraju i stvaraju čvorove i trbuhe. Gusti milimetarski objekt u zraku može biti zarobljen u blizini stabilnog čvora pritiska kada uzlazna radijacijska sila uravnotežuje njegovu težinu, a gradijent sile vraća male pomake. Kavitacija se, nasuprot tome, javlja unutar tekućine kada ciklusi negativnog pritiska pokreću mjehuriće. Ove dvije pojave mogu koegzistirati samo ako u kap uđe dovoljno akustične energije, ali ih ne treba miješati.

U ovom videu koristimo akustičnu levitaciju kako bismo čvrste i tečne čestice održavali u zraku. Koristimo Hielscher UP400St – standardni ultrazvučni homogenizator snage 400 vati pri amplitudi do 100%. Za levitaciju je veća amplituda djelotvornija od manje. Sonotroda korištena u ovom eksperimentu proizvodi oscilacije od 118 mikrometara pri postavci od 100%. Hielscher isporučuje levitatore za komercijalnu upotrebu za beskontaktno podizanje mikročipova i beskontaktni transport silicijskih pločica ili ekrana mobilnih telefona. Pomoću levitacijskog sistema možete uzgajati i proučavati lebdeće kristale ili provoditi reakcije u mikrokapljicama dok lebde u zraku.

Šta su tekući roboti oklopljeni česticama?

Konvencionalne tekuće kuglice (liquid marbles) su kapi obložene hidrofobnim prahom. Kapilarne sile drže čestice na granici tekućina–plin, a preraspoređivanje čestica daje površini odziv nalik ljusci. Koncept PB jača tu arhitekturu unošenjem znatno više čestica po jedinici volumena tekućine. U prijavljenom postupku izrade kvadarasti led-prekursor obložen je pahuljastim česticama PTFE prosječnog promjera bazalne ravnine od 34 mikrometra. Kada se led otopio i skupio, čestice su se zaglavile u gustom, ravnomjerno raspoređenom sloju oko izduženog vodenog jezgra.
Za proučavane geometrije PB-ovi su nosili oko 59% više mase čestica od konvencionalnih tekućih kuglica, uz prijavljeni omjer pakiranja 0,983 umjesto 0,956. Pri volumenu tekućine od 75 kubnih milimetara, omjer stranica blizu 1,55 dao je najveću izmjerenu otpornost na kompresiju; njegova maksimalna sila kompresije bila je 252% veća nego kod usporedne tekuće kuglice. Preuska forma oslabila je bočne strane, pa više oklopa i veće izduženje nisu automatski bolji.
Ta rezerva pokretnih površinskih čestica omogućava PB-u da preživi prolazna povećanja međufazne površine. Prijavljeni roboti probijali su se kroz hidrofilne nizove stupića, obuhvatali hidrofilne staklene kuglice, spajali se pod vertikalnim akustičnim opterećenjem, klizili preko vode, prenosili reagense i ispuštali svoj sadržaj kada je surfaktant slomio oklop. Riječ robot ovdje označava izvana kontroliranu materiju sposobnu za zadatke; PB nema ugrađen aktuator, senzor ni izvor napajanja.

Mala čestica suspendirana u čvoru pritiska u Hielscher UP400St postavci za akustičnu levitaciju.

Akustični levitator UP400St od 400 vati levitira malu česticu u stabilnom čvoru pritiska, čime se pokazuje precizno akustično pozicioniranje bez kontakta s površinom.

Zašto je akustična levitacija korisna za tekuće robote

Uklanja najproblematičnije mehaničko sučelje

Kretanje po površini izlaže tekućeg robota trenju, hrapavosti, adheziji, kontaminaciji i nepredvidivom kvašenju. Levitacija taj kontakt zamjenjuje programabilnim poljem. To može sačuvati osjetljivu čestičnu ljusku, spriječiti gubitak tereta visoke čistoće i omogućiti robotu da prijeđe preko procjepa ili površina koje bi zadržale kap vode. Također čini metodu kompatibilnom s električno neutralnim i nemagnetnim teretima, pa oklop ne mora biti opterećen aditivima koji reagiraju na polje.

Stvara mikroreaktor bez posude

Suspendirani PB je istovremeno pokretni paket i mala reakcijska posuda. Više zamki može držati reagense odvojeno; kontrolirano kretanje zatim može dovesti robote u kontakt kako bi se pokrenula koalescencija. Studije akustične levitacije na konvencionalnim tekućim kuglicama već su pokazale kontrolirano otvaranje ljuske, koalescenciju i pokrenutu indikatorsku reakciju. Jači PB oklop trebao bi proširiti upotrebljiv prozor manipulacije, iako ta specifična prednost tek treba biti izmjerena u zraku.

Omogućava nove načine mjerenja i prijenosa

Kada je gravitacija akustički podržana, kamere mogu mjeriti slobodnu deformaciju, izvijanje ljuske, rotaciju i isparavanje bez kontaktne površine. Uređaj može predati PB između tri radna okruženja: levitirati radi čistog transporta, pristati na površinu radi penetracije ili preuzimanja tereta te se vratiti u zamku radi reakcije ili inspekcije. Ovaj hibridni slijed čuva najjača površinska ponašanja iz rada, a dodaje sloj beskontaktnog prijenosa.
Levitacija nije automatski nježnija. Visok zvučni pritisak može spljoštiti kap, pokrenuti unutarnju cirkulaciju, zagrijati tekućinu, otrgnuti čestice ili atomizirati međufazu. Upotrebljiv radni prozor leži između minimalnog pritiska potrebnog za zarobljavanje PB-a i prvog znaka nepovratnog preraspoređivanja ljuske. Taj prozor mora se mapirati za svaku kombinaciju volumena, omjera stranica, tekućine jezgre i materijala oklopa.

Hielscher akustični levitator UP100H drži kap tekućine u zraku između sonotrode i reflektora.

Akustični levitator UP100H drži kap tekućine u stojećem ultrazvučnom polju radi beskontaktnog rukovanja.

Prednosti Hielscher ultrazvučnih levitatora

Direktna eksperimentalna linija porijekla

Iskoristite utvrđene polazne točke koje su objavili Jeon i saradnici (2025). Studija o PB-u koristila je Hielscher UP400S na 24 kHz i 400 W sa sonotrodom od 22 mm. Prelazak na digitalni model UP400St zadržava istu nominalnu klasu snage i frekvencije, a dodaje moderno upravljanje, programabilne postavke i bilježenje podataka. To smanjuje nesigurnost u kanalu upravljanja progresivnim valom, iako stojeća valna šupljina ostaje novi podsistem.

Visoka amplituda uz praktičnu podesivost

Sonikator UP400St pouzdano levitira čvrste i tekuće čestice. Sonotroda može dostići pomak od 118 mikrometara pri postavci 100%. UP400St pruža podešavanje amplitude od 20 do 100%, programabilan intervalni rad, automatsko podešavanje frekvencije i izbor sonotroda, uključujući titanski model od 22 mm korišten u studiji Jeon et al., 2025. Ova kombinacija podržava mapiranje pragova, blage rampe i ponovljive impulse umjesto jedne radne točke uključeno/isključeno.

Instrumentacija i automatizacija

UP400St bilježi amplitudu, snagu, vrijeme i temperaturu na SD karticu i može se nadzirati ili kontrolirati putem preglednika. Te su funkcije neobično korisne za istraživački levitator jer je akustična stabilnost osjetljiva na toplinski drift, geometriju i opterećenje. Zabilježene postavke mogu se sinhronizirati s položajem i deformacijom dobivenim iz kamere kako bi se dobila ponovljiva radna mapa.

Put od laboratorijskog stola do robusne instalacije

Hielscher levitatori mogu se instalirati pojedinačno ili paralelno; dodatno su na zahtjev dostupni levitatori po mjeri. UIP500hdT odvaja generator i pretvarač te koristi pretvarač s klasom zaštite IP64, što je privlačno kada kućište mora izdržati vlagu ili slučajno pucanje robota. Ovo su tvrdnje proizvođača i treba ih provjeriti u odnosu na tačnu ponuđenu konfiguraciju.

Za akustičnu levitaciju Hielscher nudi tri standardna tipa levitatora:

Podignite svoje tekuće robote pouzdano pomoću levitacije!

Ovaj video demonstrira akustičnu levitaciju kapljica vode. Stojni ultrazvučni val održava male kapljice vode u zraku. Oprema za ultrazvučnu levitaciju koristi se za beskontaktno rukovanje materijalima i uzorcima.

Povezane teme

Često postavljana pitanja o akustičnoj levitaciji i tekućim robotima

Šta je akustična levitacija?

Akustična levitacija je beskontaktna metoda suspendiranja i pozicioniranja objekta pomoću zvuka. Ultrazvučni emiter i reflektor stvaraju stojeći val pritiska, a nastala akustična radijacijska sila može uravnotežiti gravitaciju i držati objekt u blizini stabilnog čvora pritiska.
Saznajte više o akustičnoj levitaciji i njenim primjenama!

Kako radi ultrazvučni levitator?

Ultrazvučni levitator usmjerava visokofrekventni zvuk iz sonotrode prema suprotstavljenom reflektoru. Upadni i reflektirani valovi interferiraju i tvore čvorove i trbuhe. Kada su akustični pritisak, razmak reflektora i položaj objekta pravilno podešeni, čestica ili kap može biti zarobljena u stabilnom čvoru.

Šta je tekući robot oklopljen česticama?

Tekući robot oklopljen česticama je deformabilno tekuće tijelo obuhvaćeno gusto pakiranom ljuskom hidrofobnih čestica. Taj oklop ograničava kvašenje i pomaže robotu da zadrži svoj sadržaj dok se kreće, mijenja oblik, spaja s drugim kapima ili prenosi male terete.

Po čemu se tekući robot oklopljen česticama razlikuje od tekuće kuglice (liquid marble)?

Oba sistema sastoje se od tekućine okružene hidrofobnim česticama. Međutim, tekući robot oklopljen česticama ima posebno gustu, mehanički otpornu ljusku od čestica osmišljenu da podrži kontrolirano kretanje i funkcionalne zadatke. Njegove dodatne površinske čestice također omogućavaju da se oklop preraspoređuje kako se tekuće tijelo deformira.

Mogu li Hielscher sonikatori levitirati tekuće robote oklopljene česticama?

Hielscher ultrazvučna oprema može se konfigurirati za akustičnu levitaciju stojećim valom, a Hielscher UP400S već je korišten za pokretanje tekućih robota oklopljenih česticama na čvrstim površinama. Direktna levitacija ovih specifičnih robota u zraku i dalje je inženjerski koncept koji se mora eksperimentalno provjeriti u pogledu stabilnosti zamke, zagrijavanja, deformacije i gubitka čestica.

Koji je Hielscher sonikator pogodan za istraživanje akustične levitacije?

Hielscher UP400St, snage 400 vati i frekvencije 24 kiloherca, logična je polazna točka za laboratorijski razvoj jer nudi podesivu amplitudu, pulsni rad, automatsko podešavanje frekvencije i bilježenje procesnih podataka. Odgovarajući sonikator, sonotroda i geometrija reflektora u konačnici zavise od dimenzija, mase, oblika robota i potrebnih načina rada.

Koja je razlika između akustične levitacije i akustične kavitacije?

Akustična levitacija se prvenstveno oslanja na radijacijski pritisak u plinu, obično zraku, kako bi suspendirala objekt. Akustična kavitacija javlja se unutar tekućine kada ciklusi pritiska uzrokuju rast i kolaps mjehurića. Kavitacija može stvoriti intenzivno smicanje, mikromlazeve i zagrijavanje, pa je ne treba miješati s nježnijim mehanizmom stojećeg vala koji se koristi za rutinsku levitaciju.

Zašto je akustična levitacija korisna za tekuće robote?

Levitacija uklanja kontakt s čvrstim površinama i stoga smanjuje trenje, adheziju, kontaminaciju i nekontrolirano kvašenje. Može omogućiti čist transport, reakcije bez posude i inspekciju tekućeg robota bez potporne podloge. Robot se također može premještati između levitiranog i površinskog načina rada.

Može li akustična levitacija upravljati, rotirati ili spajati tekuće robote?

Da, ali samo vertikalna suspenzija nije dovoljna. Bočno kretanje može se ostvariti pomicanjem akustične zamke, pomjeranjem reflektora ili primjenom kontroliranog gradijenta pritiska pomoću dodatnog ultrazvučnog izvora. Povratna informacija kamere može pomoći u regulaciji upravljanja, rotacije, pristajanja i kontroliranog spajanja više robota.

Literatura / reference

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.