Levitazione acustica per robot liquidi con armatura a particelle

Un robot liquido con armatura particellare è una macchina morbida azionata sul campo, piuttosto che un robot rigido in miniatura. Il suo corpo liquido è in grado di cambiare forma, scorrere attorno agli ostacoli, avvolgere un oggetto compatibile e fondersi con un vicino, mentre una pelle particellare impedisce al liquido di bagnare l’ambiente circostante. Lo studio pubblicato nel 2025 su *Science Advances* che ha presentato il Particle-armored liquid roBot, o PB, ha utilizzato un trasduttore ultrasonico Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) con un sonotrodo da 22 mm per esercitare una forza di radiazione acustica a distanza. La forza ha spinto e fatto rotolare il PB su substrati comuni; il trasduttore è stato inclinato di 10 gradi per le operazioni di navigazione e orientato verticalmente per la fusione.

Dalla propulsione acustica alla sospensione acustica

La vera levitazione acustica modifica le condizioni al contorno. Anziché utilizzare un’onda progressiva per superare la resistenza al rotolamento, una coppia contrapposta di sonotrodo e riflettore produce un campo di pressione stazionario che sostiene il robot contro la forza di gravità. La rimozione del pavimento elimina il contatto con il solido, ma elimina anche l’attrito che contribuiva a convertire la forza acustica in movimento di rotolamento. Una macchina pratica necessita quindi di due funzioni: una trappola verticale per la portanza e un gradiente o un’onda progressiva controllabile in modo indipendente per la traslazione. Il risultato può essere meglio descritto come una cella di lavoro acustica ibrida con modalità di levitazione, sterzata, fusione e attracco.

Il principio di funzionamento della levitazione acustica

La levitazione acustica utilizza le forze di radiazione acustica per sospendere un oggetto senza contatto meccanico. In un tipico levitatore a ultrasuoni, un sonotrodo emette un suono ad alta frequenza verso un riflettore posto di fronte. Le onde incidenti e riflesse interferiscono tra loro formando un’onda stazionaria caratterizzata dall’alternanza di nodi e antinodi di pressione. Un robot liquido dotato di armatura particellare, posizionato in prossimità di un nodo stabile, subisce una forza acustica media nel tempo che contrasta la gravità, mentre i gradienti di pressione ripristinano piccoli spostamenti e mantengono il robot intrappolato. La distanza tra i riflettori, la frequenza acustica e l’ampiezza delle vibrazioni devono essere regolate in base alle dimensioni, alla massa e alla forma del robot. Ulteriori trombe acustiche o il movimento controllato del campo acustico possono consentire la sterzata laterale, la rotazione e l’attracco. A differenza della cavitazione acustica, che comporta la formazione e il collasso di bolle all’interno di un liquido, la levitazione acustica si basa principalmente sulla pressione di radiazione trasmessa attraverso l’aria circostante. Si dovrebbe tuttavia evitare una pressione sonora eccessiva, poiché può deformare il nucleo liquido, staccare particelle dell’armatura o destabilizzare il robot.

La levitazione come meccanismo di sollevamento

In un levitatore accoppiato all’aria, la forza desiderata è la forza di radiazione acustica media nel tempo generata dalla diffusione e dall’assorbimento del campo sonoro. Un riflettore rimanda l’onda incidente verso la tromba, e le due onde interferiscono producendo nodi e antinodi. Un oggetto millimetrico denso presente nell’aria può essere intrappolato in prossimità di un nodo di pressione stabile quando la forza di radiazione verso l’alto bilancia il suo peso e il gradiente di forza ripristina piccoli spostamenti. La cavitazione, al contrario, si verifica all’interno di un liquido quando cicli di pressione negativa generano bolle. I due fenomeni possono coesistere solo se entra nella goccia una quantità sufficiente di energia acustica, ma non devono essere confusi tra loro.

Cosa sono i robot liquidi con corazza a particelle?

Le “biglie liquide” convenzionali sono goccioline rivestite di polvere idrofobica. Le forze capillari trattengono le particelle all’interfaccia liquido-gas, e il riarrangiamento delle particelle conferisce alla superficie una risposta simile a quella di un guscio. Il concetto PB rafforza tale architettura caricando un numero sostanzialmente maggiore di particelle per unità di volume di liquido. Nel processo di fabbricazione descritto, un precursore di ghiaccio a forma di parallelepipedo è stato rivestito con particelle di PTFE a forma di scaglie, con un diametro medio del piano basale pari a 34 micrometri. Quando il ghiaccio si è sciolto e si è contratto, le particelle si sono incastrate formando uno strato denso e uniformemente distribuito attorno a un nucleo di acqua di forma prolata.
Per le geometrie studiate, i PB trasportavano circa il 59% in più di massa particellare rispetto alle biglie liquide convenzionali, con un rapporto di impacchettamento riportato pari a 0,983 anziché 0,956. Con un volume di liquido pari a 75 millimetri cubi, un rapporto di aspetto vicino a 1,55 ha fornito la massima resistenza alla compressione misurata; la sua forza di compressione massima era superiore del 252% rispetto a quella della biglia liquida di riferimento. Una forma troppo affusolata indeboliva i lati, quindi un maggiore rinforzo e un maggiore allungamento non sono automaticamente sinonimo di migliori prestazioni.
Quella riserva di particelle mobili in superficie consente a un PB di sopravvivere ad aumenti transitori dell’area interfacciale. I robot descritti sono riusciti a infilarsi attraverso matrici di pilastri idrofili, hanno inglobato microsfere di vetro idrofile, si sono fusi sotto carico acustico verticale, hanno scivolato sull’acqua, hanno trasportato reagenti e hanno scaricato il loro contenuto quando un tensioattivo ha fratturato l’armatura. Il termine «robot» in questo contesto descrive materia controllata dall’esterno e in grado di svolgere compiti specifici; il PB non dispone di attuatori, sensori o fonti di alimentazione integrati.