Akustička levitacija za tekuće robote oklopljene česticama

Tekući robot oklopljen česticama je meki stroj koji se pokreće poljem, a ne minijaturni kruti robot. Njegovo tekuće tijelo može promijeniti oblik, teći oko prepreka, progutati kompatibilni objekt i stopiti se sa susjednim, dok čestična koža sprječava tekućinu da navlaži okoliš. Studija Science Advances iz 2025. koja je predstavila tekući roBot s česticama, ili PB, koristila je ultrazvučni pretvarač Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) sa sonotrodom od 22 mm za djelovanje sile akustičnog zračenja iz daljine. Sila je gurala i kotrljala PB preko običnih podloga; sonda je bila nagnuta 10 stupnjeva za navigacijske zadatke i usmjerena okomito za spajanje.

Od akustične propulzije do akustičnog ovjesa

Prava akustična levitacija mijenja granične uvjete. Umjesto korištenja progresivne valne kako bi se prevladao otpor kotrljanja, suprotni par sonotrode i reflektora stvara stojeće polje tlaka koje podržava robota protiv gravitacije. Uklanjanje poda uklanja čvrsti kontakt, ali također uklanja trenje koje je pomagalo pretvoriti akustičnu silu u kotrljajuće kretanje. Stoga praktična naprava treba dvije funkcije: vertikalni zamka za podizanje i neovisno kontrolirano gradijentno ili progresivno valno polje za translaciju. Rezultat se najbolje vidi kao hibridna akustična radna stanica s načinima levitacije, upravljanja, spajanja i dokiranja.

Podignite robotsku tekućinu koristeći akustičnu levitaciju!
Istražite kako precizno kontrolirani Hielscher ultrazvučni sustav može omogućiti beskontaktnu levitaciju tekućih robota oklopljenih česticama. Razgovarajte s našim ultrazvučnim stručnjacima o testiranju vašeg koncepta.

Radni princip akustične levitacije

Akustična levitacija koristi sile akustičnog zračenja da objesi objekt bez mehaničkog kontakta. U tipičnom ultrazvučnom levitatoru, sonotroda emitira visokofrekventni zvuk prema suprotnom reflektoru. Upadni i reflektirani val interferiraju i tvore stojni val koji sadrži izmjenične tlačne čvorove i antinode. Tekući robot oklopljen česticama postavljen u blizini stabilnog čvora doživljava vremenski prosječnu akustičnu silu koja se suprotstavlja gravitaciji, dok gradijenti tlaka vraćaju male pomake i drže robota zarobljenim. Razmak reflektora, akustična frekvencija i amplituda vibracija moraju biti usklađeni s veličinom, masom i oblikom robota. Dodatne sirene ili kontrolirano kretanje akustičnog polja mogu omogućiti bočno upravljanje, 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 kroz okolni zrak. Pretjerani zvučni tlak ipak treba izbjegavati jer može deformirati tekuću jezgru, izbaciti čestice oklopa ili destabilizirati robota.

Levitacija kao mehanizam podizanja

U levitatoru povezanom zrakom, željena sila je vremenski prosječna akustična radijacijska sila koju stvaraju raspršenje i apsorpcija zvučnog polja. Reflektor vraća incidentni val natrag prema rogu, a dva vala interferiraju kako bi stvorila čvorove i antinodove. Gusti milimetarski objekt u zraku može biti zarobljen u blizini stabilnog tlačnog čvora kada se uzlazna radijacijska sila uravnoteži s njegovom težinom, a gradijent sile vraća male pomake. Kavitacija, za razliku od toga, javlja se u tekućini kada negativni tlak ciklusa pokreće mjehuriće. Ta dva fenomena mogu koegzistirati samo ako dovoljno akustične energije uđe u kapljicu, ali se ne bi trebala miješati.

U ovom videu koristimo akustičnu levitaciju za suspendiranje čvrstih i tekućih čestica u zraku. Koristimo Hielscher UP400St - standardni ultrazvučni homogenizator od 400 W na amplitudi do 100%. Za levitaciju, visoka amplituda radi bolje od niske amplitude. Sonotroda korištena u ovom eksperimentu proizvodi 118 mikrometarskih oscilacija pri postavci od 100%. Hielscher isporučuje levitatore komercijalne kvalitete za beskontaktno podizanje mikročipova i za beskontaktni transport silikonskih pločica ili zaslona mobilnih telefona. Pomoću postavljanja levitatora možete uzgajati i proučavati lebdeće kristale ili reagirati na mikrokapljice dok lebde u zraku.

Što su tekući roboti oklopljeni česticama?

Konvencionalni tekući klikeri su kapljice obložene hidrofobnim prahom. Kapilarne sile drže čestice na granici tekućine i plina, a preraspodjela čestica daje površini odgovor poput ljuske. PB koncept jača tu arhitekturu učitavanjem znatno više čestica po jedinici volumena tekućine. U navedenoj ruti izrade, kockasti prekursor leda bio je obložen PTFE česticama nalik na pahuljice s prosječnim promjerom bazalne ravnine od 34 mikrometra. Kad se led otopio i skupio, čestice su se zaglavile u gusti, ravnomjerno raspoređeni sloj oko izdužene vodene jezgre.
Za proučavane geometrije, PB-ovi su nosili oko 59% više mase čestica nego konvencionalni tekući klikeri, s prijavljenim omjerom pakiranja od 0,983 umjesto 0,956. Pri volumenu tekućine od 75 kubičnih milimetara, omjer širine i visine blizu 1,55 dao je najveću izmjerenu otpornost na kompresiju; njegova najveća sila kompresije bila je 252% veća od one usporednog tekućeg mramora. Previše tanak oblik oslabio je bokove, pa više oklopa i veće izduženje nisu automatski bolji.
Ta zaliha pokretnih površinskih čestica omogućava PB-u da preživi prolazna povećanja površinske sile. Prijavljeni roboti provlačili su se kroz nizove hidrofilnih stupova, gutali hidrofilne staklene kuglice, spojili se pod vertikalnim akustičkim opterećenjem, klizili po vodi, transportirali reagense i ispuštali njihov sadržaj kada je surfaktant razbio oklop. Riječ robot ovdje opisuje vanjski kontroliranu, zadatcima sposobnu materiju; PB nema ugrađeni aktuator, senzor ili izvor energije.

Mala čestica suspendirana u čvorištu tlaka u Hielscher UP400St akustičkom levitacijskom sustavu.

Akustični levitator od 400 W UP400St levitira malu česticu na stabilnom čvorištu tlaka, demonstrirajući precizno akustično pozicioniranje bez kontakta s površinom.

Zašto je akustična levitacija korisna za tekuće robote

Uklanja najproblematičniji mehanički sučelje

Površinsko kretanje izlaže tekućeg robota trenju, hrapavosti, adheziji, kontaminaciji i nepredvidivom navlaženju. Levitacija zamjenjuje taj kontakt programabilnim poljem. To može očuvati osjetljivu česticu ljuske, spriječiti gubitak visokopročaste tereta i omogućiti robotu da prolazi preko praznina ili površina koje bi inače zaustavile kap vode. Također čini metodu kompatibilnom s električno neutralnim i nemagnetskim teretom, pa oklop ne mora biti opterećen aditivima osjetljivima na polje.

Stvara mikroreaktor bez spremnika

Suspendirana PB je istovremeno mobilni paket i mala reakcijska posuda. Više zamki može držati reaktante odvojeno; kontrolirano kretanje tada može dovesti robote u kontakt kako bi se započela koalescencija. Studije akustičke levitacije na konvencionalnim tekućim kuglicama već su pokazale kontrolirano otvaranje ljuske, koalescenciju i reakciju pokazatelja koja se aktivira. Jača PB ljuska trebala bi povećati upotrebljivi vremenski okvir manipulacije, iako to specifično prednost još treba izmjeriti u zraku.

Omogućuje nove načine mjerenja i prijenosa

Uz akustično podržanu gravitaciju, kamere mogu mjeriti slobodnu deformaciju, izvijanje školjke, rotaciju i isparavanje bez kontaktne mrlje. Uređaj može predati PB između tri radna okruženja: levitirati za čisti transport, pristati na površinu za prodiranje ili preuzimanje tereta i vratiti se u zamku radi reakcije ili pregleda. Ovaj hibridni slijed čuva najjače ponašanje papira na površini dok dodaje sloj za prijenos bez kontakta.
Levitacija nije automatski nježnija. Visoki zvučni tlak može izravnati kapljicu, potaknuti unutarnju cirkulaciju, zagrijati tekućinu, ukloniti čestice ili atomizirati sučelje. Upotrebljivi radni prozor nalazi se između minimalnog tlaka potrebnog za zarobljavanje PB-a i prvog znaka nepovratne promjene ljuske. Taj prozor mora biti mapiran za svaku kombinaciju volumena, omjera stranica, tekućine jezgre i materijala oklopa.

Hielscher akustički levitator UP100H drži kapljicu tekućine u zraku između sonotroda i reflektora.

Akustički levitator UP100H suspendira kapljicu tekućine u stajaćem ultrazvučnom polju za rukovanje bez kontakta.

Snage Hielscherovih ultrazvučnih levitatora

Izravna eksperimentalna loza

Iskoristite utvrđene početne točke koje su objavili Jeon i suradnici (2025). PB studija koristila je Hielscher UP400S na 24 kHz i 400 W s 22 mm sonotrodom. Prelazak na digitalni model UP400St zadržava istu nominalnu klasu snage i frekvencije, uz dodavanje moderne kontrole, programabilnih postavki i bilježenja podataka. To smanjuje neizvjesnost u kanalu za upravljanje progresivnim valom, iako šupljina stojećeg vala ostaje novi podsustav.

Visoka amplituda s praktičnom podesivošću

Sonikator UP400St pouzdano levitira čvrste i tekuće čestice. Sonotrod može doseći pomak od 118 mikrometara pri postavci od 100%. UP400St pruža podešavanje amplitude od 20 do 100%, programabilni intervalni rad, automatsko podešavanje frekvencije i izbor sonotroda, uključujući titanijsku verziju od 22 mm koja je korištena u studiji Jeon et al., 2025. Ova kombinacija podržava mapiranje pragova, nježne poraste i ponovljive impulse umjesto jedne točke uključivanja/isključivanja.

Instrumentacija i automatizacija

UP400St bilježi amplitudu, snagu, vrijeme i temperaturu na SD karticu te se može pratiti ili kontrolirati putem preglednika. Te su značajke izuzetno korisne za istraživački levitator jer je akustička stabilnost osjetljiva na termalni drift, geometriju i opterećenje. Zabilježene postavke mogu se sinkronizirati s položajem i deformacijom dobivenim kamerom kako bi se proizvela reproducibilna karta rada.

Put od radne stolice do robusne instalacije

Hielscher levitatori mogu se instalirati pojedinačno ili paralelno; dodatno, prilagođeni levitatori dostupni su na zahtjev. UIP500hdT odvaja generator i transducer te koristi transducer s IP64 zaštitom, što je privlačno kada kućište mora podnijeti vlagu ili slučajni udar robota. Ovo su tvrdnje proizvođača i trebale bi se provjeriti prema točno citiranoj konfiguraciji.

Za akustičku levitaciju, Hielscher nudi tri standardna tipa levitatora:

Pouzdano podignite svoje tekuće robote pomoću levitacije!

U ovom videu prikazana je akustična levitacija kapljica vode. Stojeći ultrazvučni val drži male kapljice vode u zraku. Ultrazvučna oprema za levitaciju koristi se kao metoda beskontaktnog rukovanja materijalom i uzorcima.

Povezane teme

Često postavljana pitanja o akustičkoj levitaciji i tekućim robotima

Što je akustička levitacija?

Akustična levitacija je metoda suspenzije i pozicioniranja objekta bez kontakta uz pomoć zvuka. Ultrazvučni emitter i reflektor stvaraju stojeći tlačni val, a rezultirajuća akustična radijacijska sila može uravnotežiti gravitaciju i držati objekt blizu stabilnog čvora pritiska.
Pročitajte više o akustičnoj levitaciji i njezinim primjenama!

Kako radi ultrazvučni levitator?

Ultrazvučni levitator usmjerava visokofrekventni zvuk iz sonotrode prema suprotnom reflektoru. Upadni i reflektirani valovi interferiraju kako bi stvorili čvorove i antino-dove. Kada se akustični tlak, razmak reflektora i pozicija objekta pravilno prilagode, čestica ili kapljica može biti zarobljena u stabilnom čvoru.

Što je tekući robot oklopljen česticama?

Robot od tekućine oklopljen česticama je deformabilno tekuće tijelo zatvoreno gusto raspoređenom ljuskom od hidrofobnih čestica. Oklop ograničava ovlaživanje i pomaže robotu da zadrži svoj sadržaj dok se kreće, mijenja oblik, spaja s drugim kapljicama ili prenosi male terete.

Kako se robot od tekućine oklopljen česticama razlikuje od tekuće mramorice?

Oba sustava se sastoje od tekućine okružene hidrofobnim česticama. Međutim, robot od tekućine oklopljen česticama ima posebno gustu, mehanički otpornu ljusku čestica dizajniranu za podršku kontroliranom kretanju i funkcionalnim zadacima. Njegove dodatne površinske čestice također omogućuju oklopu da se prerasporedi dok se tekuće tijelo deformira.

Mogu li Hielscher sonicatori levitirati robote od tekućine oklopljene česticama?

Hielscher ultrazvučna oprema može se konfigurirati za akustičku levitaciju stojeće valne forme, a Hielscher UP400S je već korišten za aktiviranje tekućih robota oklopljenih česticama na čvrstim površinama. Direktna levitacija ovih specifičnih robota u zraku i dalje ostaje inženjerski koncept koji se mora eksperimentalno potvrditi za stabilnost zamke, zagrijavanje, deformaciju i gubitak čestica.

Koji Hielscher sonikator je prikladan za istraživanje akustičke levitacije?

Hielscher UP400St, s nazivnom snagom od 400 vata i frekvencijom od 24 kiloherca, logičan je početak za laboratorijski razvoj jer nudi podesivu amplitudu, pulsni rad, automatsko podešavanje frekvencije i bilježenje podataka o procesu. Prikladni sonikator, sonotroda i geometrija reflektora u konačnici ovise o dimenzijama, masi, obliku robota i potrebnim načinima rada.

Koja je razlika između akustičkog levitacije i akustične kavitacije?

Akustička levitacija prvenstveno se oslanja na tlak zračenja u plinu, obično zraku, kako bi zadržala objekt. Akustička kavitacija događa se u tekućini kada ciklusi pritiska uzrokuju rast i kolaps mjehurića. Kavitacija može generirati intenzivno smicanje, mikromlazove i zagrijavanje, stoga je ne treba brkati s nježnijim mehanizmom stojećih valova koji se koristi za rutinsku levitaciju.

Zašto je akustička levitacija korisna za tekuće robote?

Levitacija uklanja kontakt s čvrstim površinama, čime se smanjuju trenje, adhezija, kontaminacija i nekontrolirano vlaženje. Može omogućiti čisti transport, reakcije bez posuda i inspekciju tekućeg robota bez nosive podloge. Robot se također može premještati između levitacijskog i rada na površini.

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

Da, ali samo vertikalna suspenzija nije dovoljna. Bočno gibanje može se postići pomicanjem akustičnog zamka, pomicanjem reflektora ili primjenom kontroliranog gradijenta tlaka s dodatnim ultrazvučnim izvorom. Kamere mogu pomoći u regulaciji upravljanja, rotacije, dokiranja 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.