Ակուստիկ լևիտացիա՝ մասնիկներով զրահապատ հեղուկ ռոբոտների համար

Մասնիկներով զրահապատ հեղուկ ռոբոտը դաշտի ազդեցությամբ շարժման մեջ դրվող փափուկ մեքենա է, այլ ոչ թե մանրակերտ կոշտ ռոբոտ։ Դրա հեղուկ մարմինը կարող է փոխել ձևը, հոսելով շրջանցել խոչընդոտները, կլանել համատեղելի առարկա և միաձուլվել հարևան ռոբոտի հետ, մինչդեռ մասնիկային թաղանթը կանխում է հեղուկով շրջապատի թրջումը։ Science Advances ամսագրում 2025 թվականին հրապարակված հետազոտության մեջ, որը ներկայացրեց մասնիկներով զրահապատ հեղուկ ռոբոտը՝ PB անվանումով, օգտագործվել է Hielscher UP400S ուլտրաձայնային փոխակերպիչ (400 W, 24 kHz)՝ 22 mm սոնոտրոդով, հեռավորությունից ակուստիկ ճառագայթման ուժ գործադրելու համար։ Ուժը հրում և գլորում էր PB ռոբոտը սովորական տակդիրների վրայով․ տեղաշարժի ուղղորդման առաջադրանքների համար փոխակերպիչը թեքված էր 10 աստիճանով, իսկ միաձուլման համար՝ ուղղահայաց դիրքով։

Ակուստիկ շարժման մղումից դեպի ակուստիկ կախված պահում

Իրական ակուստիկ լևիտացիան փոխում է սահմանային պայմանը։ Գլորման դիմադրությունը հաղթահարելու համար վազող ալիք օգտագործելու փոխարեն՝ իրար դիմաց տեղադրված սոնոտրոդի և անդրադարձիչի զույգը ստեղծում է ճնշման կանգուն դաշտ, որը պահում է ռոբոտը՝ հակազդելով ծանրության ուժին։ Հենամակերեսի հեռացումը վերացնում է պինդ մարմնի հետ շփումը, բայց նաև վերացնում է այն շփման ուժը, որն օգնում էր ակուստիկ ուժը վերածել գլորման շարժման։ Ուստի գործնական մեքենային անհրաժեշտ են երկու գործառույթ՝ բարձրացման համար ուղղահայաց թակարդ և համընթաց տեղաշարժի համար անկախորեն կառավարելի գրադիենտ կամ վազող ալիք։ Արդյունքը լավագույնս կարելի է դիտարկել որպես հիբրիդային ակուստիկ աշխատանքային բջիջ՝ լևիտացիայի, ուղղորդման, միաձուլման և կցման ռեժիմներով։

Ակուստիկ լևիտացիայի աշխատանքի սկզբունքը

Ակուստիկ լևիտացիան օգտագործում է ակուստիկ ճառագայթման ուժերը՝ առարկան առանց մեխանիկական հպման կախված պահելու համար։ Տիպիկ ուլտրաձայնային լևիտատորում սոնոտրոդը բարձր հաճախականության ձայն է արձակում դեպի դիմացը տեղադրված անդրադարձիչը։ Ընկնող և անդրադարձած ալիքները ինտերֆերենցվում են՝ ձևավորելով ճնշման հերթագայող հանգույցներով և փորերով կանգուն ալիք։ Կայուն հանգույցի մոտ տեղադրված մասնիկներով զրահապատ հեղուկ ռոբոտի վրա ազդում է ժամանակի նկատմամբ միջինացված ակուստիկ ուժ, որը հակազդում է ծանրության ուժին, մինչդեռ ճնշման գրադիենտները վերացնում են փոքր շեղումները և ռոբոտը պահում թակարդում։ Անդրադարձիչի հեռավորությունը, ակուստիկ հաճախականությունը և տատանման ամպլիտուդը պետք է կարգավորվեն՝ համապատասխանեցվելով ռոբոտի չափին, զանգվածին և ձևին։ Լրացուցիչ ձայնափողերը կամ ակուստիկ դաշտի կառավարվող տեղաշարժը կարող են ապահովել կողային ուղղորդում, պտույտ և կցում։ Ի տարբերություն ակուստիկ կավիտացիայի, որը ներառում է հեղուկի ներսում պղպջակների աճն ու փլուզումը, ակուստիկ լևիտացիան հիմնականում հիմնվում է շրջապատող օդով փոխանցվող ճառագայթման ճնշման վրա։ Այնուամենայնիվ, պետք է խուսափել չափազանց մեծ ձայնային ճնշումից, քանի որ այն կարող է ձևափոխել հեղուկ միջուկը, տեղահան անել զրահի մասնիկները կամ ապակայունացնել ռոբոտը։

Լևիտացիան՝ որպես բարձրացման մեխանիզմ

Օդի միջոցով ակուստիկ կապով լևիտատորում ցանկալի ուժը ժամանակի նկատմամբ միջինացված ակուստիկ ճառագայթման ուժն է, որն առաջանում է ձայնային դաշտի ցրման և կլանման հետևանքով։ Անդրադարձիչը ընկնող ալիքը հետ է ուղարկում դեպի ձայնափողը, և երկու ալիքներն ինտերֆերենցվում են՝ առաջացնելով հանգույցներ և փորեր։ Օդում գտնվող խիտ, միլիմետրային չափերի առարկան կարող է թակարդվել ճնշման կայուն հանգույցի մոտ, երբ դեպի վեր ուղղված ճառագայթման ուժը հավասարակշռում է դրա կշիռը, իսկ ուժի գրադիենտը վերացնում է փոքր շեղումները։ Կավիտացիան, ընդհակառակը, տեղի է ունենում հեղուկի ներսում, երբ բացասական ճնշման ցիկլերը շարժման մեջ են դնում պղպջակները։ Երկու երևույթները կարող են համատեղ գոյություն ունենալ միայն այն դեպքում, երբ բավականաչափ ակուստիկ էներգիա է մտնում կաթիլի մեջ, սակայն դրանք չպետք է նույնացնել։

Ի՞նչ են մասնիկներով զրահապատ հեղուկ ռոբոտները։

Սովորական հեղուկ մարմարիկները հիդրոֆոբ փոշով պատված կաթիլներ են։ Մազանոթային ուժերը մասնիկները պահում են հեղուկ–գազ միջֆազային սահմանին, իսկ մասնիկների վերադասավորումը մակերևույթին հաղորդում է թաղանթանման արձագանք։ PB-ի հայեցակարգն ամրացնում է այդ կառուցվածքը՝ հեղուկի միավոր ծավալում տեղավորելով զգալիորեն ավելի շատ մասնիկներ։ Նկարագրված պատրաստման եղանակում ուղղանկյուն զուգահեռանիստի ձևով սառցե նախապատրաստվածքը պատվել է թեփուկանման PTFE մասնիկներով, որոնց բազալ հարթության միջին տրամագիծը 34 միկրոմետր էր։ Երբ սառույցը հալվել և ծավալով փոքրացել է, մասնիկները սերտորեն խցկվել են իրար՝ երկարավուն ջրային միջուկի շուրջ ձևավորելով խիտ, հավասարաչափ բաշխված շերտ։
Ուսումնասիրված երկրաչափական ձևերի դեպքում PB-ների մասնիկների զանգվածը մոտ 59% ավելի մեծ էր, քան սովորական հեղուկ մարմարիկներինը, իսկ հաղորդված փաթեթավորման գործակիցը 0,983 էր՝ 0,956-ի փոխարեն։ Հեղուկի 75 խորանարդ միլիմետր ծավալի դեպքում կողմերի հարաբերության մոտ 1,55 արժեքն ապահովել է սեղմման նկատմամբ չափված ամենաբարձր դիմադրությունը․ դրա սեղմման առավելագույն ուժը 252% ավելի մեծ էր, քան համեմատության համար օգտագործված հեղուկ մարմարիկինը։ Չափազանց նեղ ու երկար ձևը թուլացնում էր կողքերը, ուստի ավելի շատ զրահը և ավելի մեծ երկարացումը ինքնաբերաբար ավելի լավ արդյունք չեն ապահովում։
Մակերևութային շարժուն մասնիկների այդ պաշարը թույլ է տալիս PB-ին դիմակայել միջֆազային մակերեսի ժամանակավոր մեծացումներին։ Նկարագրված ռոբոտները սեղմվելով անցել են հիդրոֆիլ սյուների զանգվածների միջով, կլանել հիդրոֆիլ ապակե գնդիկներ, միաձուլվել ուղղահայաց ակուստիկ բեռնման ազդեցությամբ, սահել ջրի վրայով, տեղափոխել ռեագենտներ և արտազատել իրենց պարունակությունը, երբ մակերևութային ակտիվ նյութը քայքայել է զրահը։ «Ռոբոտ» բառն այստեղ նկարագրում է արտաքինից կառավարվող, առաջադրանքներ կատարելու ունակ նյութ․ PB-ն չունի ներկառուցված գործարկիչ, տվիչ կամ էներգիայի աղբյուր։