شناور آکوستیک برای ربات‌های مایع زره‌دار ذرات

یک ربات مایع زره دار ذرات، یک ماشین نرم میدانی است تا یک ربات صلب مینیاتوری. بدن مایع آن می تواند تغییر شکل دهد، در اطراف موانع جریان یابد، یک جسم سازگار را ببلعد و با یک همسایه ادغام شود، در حالی که یک پوسته ذره ای مانع از خیس شدن مایع در محیط می شود. مطالعه 2025 Science Advances که RoBot مایع زرهدار ذرات یا PB را معرفی کرد، از مبدل اولتراسونیک Hielscher UP400S (400 W، 24 kHz) با سونوترود 22 میلی متری برای اعمال نیروی تشعشع صوتی از راه دور استفاده کرد. نیرو فشار داده و PB را روی بسترهای معمولی می چرخاند. مبدل برای کارهای ناوبری 10 درجه شیب داشت و برای ادغام به صورت عمودی گرایش داشت.

از پیشرانه صوتی تا سیستم تعلیق صوتی

شناور آکوستیک واقعی شرایط مرزی را تغییر می دهد. به جای استفاده از یک موج پیشرونده برای غلبه بر مقاومت غلتشی، یک جفت بازتابنده سونوترود مخالف، یک میدان فشار ثابت ایجاد می کند که ربات را در برابر گرانش پشتیبانی می کند. برداشتن کف، تماس جامد را از بین می برد، اما همچنین اصطکاک را که به تبدیل نیروی صوتی به حرکت غلتشی کمک می کرد، حذف می کند. بنابراین یک ماشین عملی به دو عملکرد نیاز دارد: یک تله عمودی برای بلند کردن و یک گرادیان یا موج پیشرونده مستقل برای ترجمه. نتیجه به بهترین وجه به عنوان یک سلول کاری آکوستیک ترکیبی با حالت‌های شناور، هدایت، ادغام و داک مشاهده می‌شود.

اصل کار معلق آکوستیک

شناور آکوستیک از نیروهای تابش صوتی برای معلق کردن یک جسم بدون تماس مکانیکی استفاده می کند. در یک لویتاتور اولتراسونیک معمولی، یک سونوترود صدایی با فرکانس بالا به سمت یک بازتابنده مخالف منتشر می کند. امواج فرود و منعکس شده با ایجاد یک موج ایستاده حاوی گره های فشار متناوب و پادگره ها تداخل می کنند. یک ربات مایع زره دار که در نزدیکی یک گره پایدار قرار می گیرد، نیروی صوتی متوسط ​​زمانی را تجربه می کند که با گرانش مقابله می کند، در حالی که گرادیان فشار، جابجایی های کوچک را باز می گرداند و ربات را در دام نگه می دارد. فاصله بازتابنده، فرکانس صوتی و دامنه ارتعاش باید با اندازه، جرم و شکل ربات تنظیم شود. بوق های اضافی یا حرکت کنترل شده میدان صوتی می تواند فرمان جانبی، چرخش و داک را فراهم کند. برخلاف کاویتاسیون آکوستیک، که شامل رشد و فروپاشی حباب‌ها در داخل یک مایع است، شناور آکوستیک عمدتاً به فشار تشعشع منتقل شده از طریق هوای اطراف متکی است. با این وجود باید از فشار بیش از حد صدا اجتناب شود زیرا می تواند هسته مایع را تغییر شکل دهد، ذرات زره را از جای خود خارج کند یا ربات را بی ثبات کند.

Levitation as Lifting Mechanism

In an air-coupled levitator, the desired force is the time-averaged acoustic radiation force created by scattering and absorption of the sound field. A reflector sends the incident wave back toward the horn, and the two waves interfere to produce nodes and antinodes. A dense millimetric object in air can be trapped near a stable pressure node when the upward radiation force balances its weight and the force gradient restores small displacements. Cavitation, by contrast, occurs inside a liquid when negative pressure cycles drive bubbles. The two phenomena can coexist only if enough acoustic energy enters the droplet, but they should not be conflated.

What are Particle-Armored Liquid Robots?

مرمرهای مایع معمولی قطراتی هستند که با پودر آبگریز پوشیده شده اند. نیروهای مویرگی ذرات را در سطح مشترک مایع-گاز نگه می دارند و بازآرایی ذرات به سطح پاسخی پوسته مانند می دهد. مفهوم PB این معماری را با بارگذاری ذرات بیشتر در واحد حجم مایع تقویت می کند. در مسیر ساخت گزارش شده، یک پیش ساز یخ مکعبی با ذرات PTFE پوسته مانند با قطر صفحه پایه متوسط ​​34 میکرومتر پوشانده شد. هنگامی که یخ ذوب شد و منقبض شد، ذرات به یک لایه متراکم و یکنواخت در اطراف یک هسته آب پراکنده گیر کردند.
برای هندسه های مورد مطالعه، PB ها حدود 59٪ جرم ذرات بیشتری را نسبت به تیله های مایع معمولی با نسبت بسته بندی 0.983 به جای 0.956 حمل می کردند. در حجم مایع 75 میلی‌متر مکعب، نسبت تصویر نزدیک به 1.55 بالاترین مقاومت فشاری اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد. حداکثر نیروی تراکم آن 252 درصد بیشتر از سنگ مرمر مایع مقایسه بود. شکل خیلی باریک طرفین را ضعیف می کند، بنابراین زره بیشتر و کشیدگی بیشتر به طور خودکار بهتر نیست.
این ذخیره ذرات سطح متحرک به یک PB اجازه می دهد تا از افزایش گذرا در ناحیه سطحی جان سالم به در ببرد. ربات‌های گزارش‌شده از میان آرایه‌های ستون آب‌دوست فشرده می‌شوند، مهره‌های شیشه‌ای آبدوست را فرو می‌برند، تحت بارگذاری صوتی عمودی ادغام می‌شوند، از آب عبور می‌کنند، معرف‌ها را حمل می‌کنند و هنگامی که یک سورفاکتانت زره را می‌شکند، محتویاتشان را تخلیه می‌کنند. کلمه ربات در اینجا توصیف کننده ماده کنترل شده خارجی و قابلیت انجام وظیفه است. PB هیچ محرک، سنسور یا منبع تغذیه داخلی ندارد.