Levitasi Akustik untuk Robot Cairan Berlapis Partikel

Robot cair berlapis partikel adalah mesin lunak yang digerakkan oleh medan, bukan robot kaku berukuran mini. Tubuh cairnya dapat berubah bentuk, mengalir mengelilingi rintangan, menelan objek yang kompatibel, dan menyatu dengan robot tetangganya, sementara lapisan partikelnya mencegah cairan tersebut membasahi lingkungan sekitar. Studi Science Advances tahun 2025 yang memperkenalkan Particle-armored liquid roBot, atau PB, menggunakan transduser ultrasonik Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) dengan sonotrode berdiameter 22 mm untuk menghasilkan gaya radiasi akustik dari jarak jauh. Gaya tersebut mendorong dan menggulingkan PB melintasi substrat biasa; transduser dimiringkan 10 derajat untuk tugas navigasi dan diposisikan secara vertikal untuk proses penggabungan.

Dari Penggerak Akustik hingga Suspensi Akustik

Levitasi akustik sejati mengubah kondisi batas. Alih-alih menggunakan gelombang progresif untuk mengatasi hambatan gulir, pasangan sonotrode-reflektor yang berlawanan menghasilkan medan tekanan stasioner yang menopang robot melawan gravitasi. Menghilangkan lantai memang menghilangkan kontak dengan permukaan padat, tetapi juga menghilangkan gesekan yang membantu mengubah gaya akustik menjadi gerakan gulir. Oleh karena itu, mesin praktis memerlukan dua fungsi: perangkap vertikal untuk daya angkat dan gelombang gradien atau progresif yang dapat dikendalikan secara independen untuk pergerakan translasi. Hasilnya paling baik dipandang sebagai sel kerja akustik hibrida dengan mode melayang, mengarahkan, menggabungkan, dan berlabuh.

Prinsip Kerja Levitasi Akustik

Levitasi akustik memanfaatkan gaya radiasi akustik untuk menahan suatu benda tanpa kontak mekanis. Pada levitator ultrasonik pada umumnya, sebuah sonotrode memancarkan gelombang suara berfrekuensi tinggi ke arah reflektor yang berada di seberangnya. Gelombang yang datang dan yang dipantulkan saling berinterferensi sehingga membentuk gelombang berdiri yang terdiri dari simpul dan antinodus tekanan yang bergantian. Robot cairan yang dilapisi partikel yang ditempatkan di dekat simpul stabil mengalami gaya akustik rata-rata waktu yang melawan gravitasi, sementara gradien tekanan mengembalikan perpindahan kecil dan menjaga robot tetap terperangkap. Jarak reflektor, frekuensi akustik, dan amplitudo getaran harus disesuaikan dengan ukuran, massa, dan bentuk robot. Penambahan corong atau pengendalian pergerakan medan akustik dapat memungkinkan pengendalian arah lateral, rotasi, dan docking. Berbeda dengan kavitasi akustik—yang melibatkan pembentukan dan pecahnya gelembung di dalam cairan—levitasi akustik terutama bergantung pada tekanan radiasi yang ditransmisikan melalui udara di sekitarnya. Namun demikian, tekanan suara yang berlebihan harus dihindari karena dapat merusak inti cairan, melepaskan partikel pelindung, atau membuat robot menjadi tidak stabil.

Levitasi sebagai Mekanisme Pengangkatan

Pada levitator yang digerakkan oleh udara, gaya yang diinginkan adalah gaya radiasi akustik rata-rata waktu yang dihasilkan oleh hamburan dan penyerapan medan suara. Sebuah reflektor memantulkan gelombang yang datang kembali ke arah corong, dan kedua gelombang tersebut saling berinterferensi sehingga menghasilkan simpul dan antisipul. Sebuah objek padat berukuran milimeter di udara dapat terperangkap di dekat simpul tekanan yang stabil ketika gaya radiasi ke atas menyeimbangkan beratnya dan gradien gaya mengembalikan perpindahan kecil. Sebaliknya, kavitasi terjadi di dalam cairan ketika siklus tekanan negatif mendorong terbentuknya gelembung. Kedua fenomena tersebut hanya dapat terjadi bersamaan jika energi akustik yang cukup masuk ke dalam tetesan, tetapi keduanya tidak boleh disamakan.

Apa itu Robot Cair Berlapis Partikel?

Bola-bola cair konvensional adalah tetesan yang dilapisi bubuk hidrofobik. Gaya kapiler menahan partikel-partikel tersebut di antarmuka cairan-gas, dan penataan ulang partikel memberikan respons seperti cangkang pada permukaannya. Konsep PB memperkuat arsitektur tersebut dengan memuat partikel yang jauh lebih banyak per satuan volume cairan. Dalam rute fabrikasi yang dilaporkan, prekursor es berbentuk kuboid dilapisi dengan partikel PTFE berbentuk serpihan dengan diameter rata-rata bidang dasarnya sebesar 34 mikrometer. Ketika es mencair dan menyusut, partikel-partikel tersebut saling menumpuk membentuk lapisan yang padat dan tersebar merata di sekeliling inti air berbentuk prolate.
Untuk geometri yang diteliti, PBs membawa massa partikel sekitar 59% lebih banyak daripada bola cair konvensional, dengan rasio pengemasan yang dilaporkan sebesar 0,983, bukan 0,956. Pada volume cairan sebesar 75 milimeter kubik, rasio aspek mendekati 1,55 menghasilkan resistansi kompresi tertinggi yang terukur; gaya kompresi maksimumnya 252% lebih besar daripada marmer cair pembanding. Bentuk yang terlalu ramping melemahkan sisi-sisinya, sehingga lapisan pelindung yang lebih tebal dan perpanjangan yang lebih besar tidak selalu lebih baik.
Cadangan partikel permukaan yang bergerak tersebut memungkinkan PB bertahan dari peningkatan sementara pada luas antarmuka. Robot-robot yang dilaporkan mampu merayap melewati susunan pilar hidrofilik, menelan butiran kaca hidrofilik, bergabung di bawah beban akustik vertikal, meluncur di atas permukaan air, mengangkut reagen, dan mengeluarkan isinya ketika surfaktan memecahkan lapisan pelindungnya. Istilah “robot” di sini merujuk pada materi yang dikendalikan dari luar dan mampu melakukan tugas; PB tidak memiliki aktuator, sensor, atau sumber daya di dalamnya.