Akustiline levitatsioon osakestega soomustatud vedelrobotite jaoks

Osakestega soomustatud vedelrobot on pigem väljajõu abil juhitav pehme masin kui miniatuursed jäik robot. Selle vedel keha suudab muuta kuju, voolata takistuste ümber, ümbritseda sobivat objekti ja ühineda naabriga, samal ajal kui osakestest koosnev kate takistab vedelal keskkonda märgistamast. 2025. aasta ajakirjas „Science Advances“ avaldatud uuringus, milles tutvustati osakestega soomustatud vedelrobotit ehk PB-d, kasutati Hielscher UP400S ultraheliandurit (400 W, 24 kHz) koos 22 mm sonotroodiga, et avaldada akustilist kiirgusjõudu kauguselt. Jõud lükkas ja veeretas PB-d tavaliste alusmaterjalide peal; navigeerimisülesannete jaoks oli andur kallutatud 10 kraadi ja ühinemiseks suunatud vertikaalselt.

Akustilisest tõukejõust akustilise vedrustuse juurde

Tõeline akustiline levitatsioon muudab piirtingimust. Selle asemel, et kasutada edasiliikuva laine abil veeremistakistuse ületamiseks, tekitab vastandpaaris olev sonotrood ja reflektor seisva rõhuvälja, mis toetab robotit raskusjõu vastu. Põranda eemaldamine kõrvaldab kontakti tahke pinnaga, kuid samuti ka hõõrdumise, mis aitas akustilist jõudu veeremisliikumiseks muundada. Seetõttu vajab praktiline masin kahte funktsiooni: vertikaalset tõsteseadet tõusu tagamiseks ja iseseisvalt juhitavat gradienti või progressiivset laine liikumiseks. Tulemust võib kõige paremini vaadelda kui hübriidset akustilist töökambrit, millel on leviteerimis-, juhtimis-, ühinemis- ja dokkimisrežiimid.

Akustilise levitatsiooni toimimispõhimõte

Akustiline levitatsioon kasutab akustilisi kiirgusjõude objekti õhku hoidmiseks ilma mehaanilise kontaktita. Tüüpilises ultrahelilevitatsiooniseadmes kiirgab sonotrood kõrgsageduslikku heli vastasasuvale reflektorile. Langevad ja peegeldunud lained interfereruvad, moodustades seisva laine, mis sisaldab vahelduvaid rõhu sõlmi ja antinoode. Stabiilse sõlme lähedusse paigutatud osakestega tugevdatud vedelikrobot kogeb ajaliselt keskmistatud akustilist jõudu, mis tasakaalustab gravitatsiooni, samal ajal kui rõhugradiendid taastavad väikesed nihked ja hoiavad robotit paigal. Reflektorite vahekaugus, akustiline sagedus ja vibratsiooni amplituud tuleb häälestada vastavalt roboti suurusele, massile ja kujule. Täiendavad helitorud või akustilise välja kontrollitud liikumine võimaldavad külgsuunalist juhtimist, pöörlemist ja dokkimist. Erinevalt akustilisest kavitatsioonist, mille puhul tekivad ja lagunevad vedeliku sees mullid, põhineb akustiline levitatsioon peamiselt ümbritseva õhu kaudu edastataval kiirgusrõhul. Siiski tuleks vältida liigset helirõhku, sest see võib vedeliku südamikku deformeerida, soomusosakesi lahti rebida või robotit destabiliseerida.

Levitatsioon kui tõstemehhanism

Õhuga ühendatud levitaatoris on soovitud jõuks helivälja hajumise ja neeldumise tulemusel tekkiv ajaline keskmine akustiline kiirgusjõud. Reflektor suunab langeva laine tagasi sarve poole ning need kaks laineid tekitavad interferentsi, mille tulemusena tekivad sõlmed ja antinoodid. Tihe millimeetrine objekt õhus võib jääda lõksu stabiilse rõhu sõlme lähedale, kui ülespoole suunatud kiirgusjõud tasakaalustab selle raskust ja jõugradient taastab väikesed nihked. Kavitatsioon seevastu tekib vedeliku sees, kui negatiivsed rõhutsüklid tekitavad mullikesi. Need kaks nähtust võivad eksisteerida üheaegselt ainult juhul, kui tilka jõuab piisavalt akustilist energiat, kuid neid ei tohiks omavahel segamini ajada.

Mis on osakestega soomustatud vedelrobotid?

Tavapärased vedelad marmorid on hüdrofoobse pulbriga kaetud tilgad. Kapillaarjõud hoiavad osakesi vedeliku ja gaasi piirpinnal ning osakeste ümberpaiknemine annab pinnale kestataolise reaktsiooni. PB-kontseptsioon tugevdab seda struktuuri, paigutades vedeliku ühiku mahu kohta märkimisväärselt rohkem osakesi. Kirjeldatud valmistamisviisis kaeti kuubikujuline jääeelvorm helbeliste PTFE-osakestega, mille keskmine aluspinna läbimõõt oli 34 mikromeetrit. Kui jää sulas ja kokku tõmbus, surusid osakesed end tihedaks, ühtlaselt jaotunud kihiks pikliku veesüdamiku ümber.
Uuritud geomeetriate puhul kandsid PB-d ligikaudu 59% rohkem osakeste massi kui tavalised vedelad marmorid, mille pakkimissuhe oli 0,983, mitte 0,956. Vedeliku mahu 75 kuupmillimeetri juures andis kõige suurema mõõdetud survetugevuse külgede pikkuse ja laiuse suhe ligikaudu 1,55; selle maksimaalne survetugevus oli 252% suurem kui võrdluseks kasutatud vedelal marmoril. Liiga peenike kuju nõrgendas külgi, seega ei tähenda suurem kaitse ja pikem venivus automaatselt paremat tulemust.
See liikuvate pinnapartiklite varu võimaldab PB-l üle elada pinnapiirkonna ajutisi suurenemisi. Uuringutes kirjeldatud robotid pressisid end läbi hüdrofiilsete sammaste ridadest, neelasid hüdrofiilseid klaaskuulikesi, ühinesid vertikaalse akustilise koormuse all, libisesid veepinnal, transportisid reagente ja tühjendasid oma sisu, kui pindaktiivne aine purustas nende kaitsekihi. Sõna „robot“ tähistab siin väliselt juhitavat, ülesandeid täitvat ainet; PB-l puuduvad pardal olevad ajamid, andurid või toiteallikad.