Akustična levitacija za tekuće robote s oklopom od čestica

Tekući robot s oklopom od čestica mekan je stroj pokretan poljem, a ne minijaturni kruti robot. Njegovo tekuće tijelo može mijenjati oblik, teći oko prepreka, obuhvatiti kompatibilan predmet i spojiti se sa susjednim robotom, dok površinski sloj čestica sprječava kvašenje okoline tekućinom. U studiji objavljenoj 2025. u časopisu Science Advances, u kojoj je predstavljen tekući robot s oklopom od čestica, odnosno PB, upotrijebljen je ultrazvučni pretvornik Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) sa sonotrodom promjera 22 mm za djelovanje silom akustičkog zračenja s udaljenosti. Ta je sila gurala i kotrljala PB po uobičajenim podlogama; pretvornik je za navigacijske zadatke bio nagnut pod kutom od 10 stupnjeva, a za spajanje usmjeren okomito.

Od akustičnog pogona do akustičnog lebdenja

Prava akustična levitacija mijenja rubni uvjet. Umjesto da se putujućim valom svladava otpor kotrljanja, sonotroda i reflektor postavljeni jedno nasuprot drugome stvaraju stojno tlačno polje koje podupire robota protiv djelovanja gravitacije. Uklanjanjem podloge uklanja se kontakt s čvrstom površinom, ali i trenje koje je pomagalo pretvoriti akustičnu silu u kotrljanje. Praktičan stroj stoga treba dvije funkcije: okomitu zamku za podizanje i neovisno upravljiv gradijent ili putujući val za translacijsko gibanje. Dobiveni sustav najbolje je promatrati kao hibridnu akustičnu radnu ćeliju s načinima rada za levitaciju, usmjeravanje, spajanje i pristajanje.

Načelo rada akustične levitacije

Akustična levitacija koristi sile akustičkog zračenja za održavanje predmeta u lebdećem stanju bez mehaničkog kontakta. U tipičnom ultrazvučnom levitatoru sonotroda emitira visokofrekventni zvuk prema nasuprot postavljenom reflektoru. Upadni i reflektirani valovi interferiraju i stvaraju stojni val s naizmjeničnim čvorovima i trbusima tlaka. Na tekući robot s oklopom od čestica postavljen blizu stabilnog čvora djeluje vremenski usrednjena akustična sila koja se suprotstavlja gravitaciji, dok gradijenti tlaka vraćaju robota nakon malih pomaka i zadržavaju ga u zamci. Razmak između sonotrode i reflektora, akustična frekvencija i amplituda vibracija moraju se prilagoditi veličini, masi i obliku robota. Dodatni ultrazvučni rogovi ili kontrolirano pomicanje akustičnog polja mogu omogućiti bočno usmjeravanje, rotaciju i pristajanje. Za razliku od akustične kavitacije, koja uključuje rast i kolaps mjehurića unutar tekućine, akustična levitacija prvenstveno se oslanja na tlak zračenja koji se prenosi okolnim zrakom. Ipak, treba izbjegavati prekomjeran zvučni tlak jer može deformirati tekuću jezgru, odvojiti čestice oklopa ili destabilizirati robota.

Levitacija kao mehanizam podizanja

U levitatoru u kojem se zvuk prenosi zrakom željena sila jest vremenski usrednjena sila akustičkog zračenja nastala raspršenjem i apsorpcijom zvučnog polja. Reflektor vraća upadni val prema ultrazvučnom rogu, a ta dva vala interferiraju i stvaraju čvorove i trbuhe. Predmet velike gustoće i milimetarskih dimenzija u zraku može se zadržati blizu stabilnog čvora tlaka kada sila zračenja usmjerena prema gore uravnoteži njegovu težinu, a gradijent sile vraća predmet nakon malih pomaka. Nasuprot tome, kavitacija nastaje unutar tekućine kada ciklusi negativnog tlaka pobuđuju mjehuriće. Te dvije pojave mogu postojati istodobno samo ako u kapljicu uđe dovoljno akustične energije, ali ne treba ih poistovjećivati.

Što su tekući roboti s oklopom od čestica?

Konvencionalne tekuće kuglice kapljice su obložene hidrofobnim prahom. Kapilarne sile zadržavaju čestice na granici faza tekućina–plin, a preraspodjela čestica daje površini svojstva slična ljusci. Koncept PB-a ojačava tu strukturu znatno većom količinom čestica po jedinici volumena tekućine. U opisanom postupku izrade ledeni prethodnik u obliku kvadra obložen je ljuskastim česticama PTFE-a s prosječnim promjerom u bazalnoj ravnini od 34 mikrometra. Kada se led otopio i smanjio mu se volumen, čestice su se međusobno ukliještile u gust, ravnomjerno raspoređen sloj oko izdužene vodene jezgre.
Za proučavane geometrije PB-ovi su imali oko 59% veću masu čestica od konvencionalnih tekućih kuglica, uz prijavljeni omjer pakiranja od 0,983 umjesto 0,956. Pri volumenu tekućine od 75 kubičnih milimetara omjer dimenzija blizu 1,55 dao je najveći izmjereni otpor na tlačenje; njegova maksimalna tlačna sila bila je 252% veća od one usporedne tekuće kuglice. Previše izdužen oblik oslabio je bočne strane, pa više oklopa i veća izduženost nisu automatski bolji.
Ta zaliha pokretnih površinskih čestica omogućuje PB-u da podnese prolazna povećanja međufazne površine. Opisani roboti provlačili su se kroz nizove hidrofilnih stupića, obuhvaćali hidrofilne staklene kuglice, spajali se pod vertikalnim akustičkim opterećenjem, klizili po vodi, prenosili reagense i ispuštali svoj sadržaj kada bi površinski aktivna tvar razlomila oklop. Riječ robot ovdje opisuje izvana upravljanu tvar sposobnu za obavljanje zadataka; PB nema ugrađeni aktuator, senzor ni izvor energije.