Levitazione acustica per robot liquidi corazzati con particelle

Un robot liquido corazzato con particelle è una macchina morbida azionata da un campo, anziché un robot rigido in miniatura. Il suo corpo liquido può cambiare forma, fluire attorno agli ostacoli, inglobare un oggetto compatibile e fondersi con un robot vicino, mentre un rivestimento di particelle impedisce al liquido di bagnare l’ambiente circostante. Lo studio del 2025 pubblicato su Science Advances che ha introdotto il Particle-armored liquid roBot, o PB, ha utilizzato un trasduttore a ultrasuoni 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 era 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 la condizione al contorno. Invece di utilizzare un’onda progressiva per superare la resistenza al rotolamento, una coppia di sonotrodo e riflettore contrapposti produce un campo di pressione stazionario che sostiene il robot contro la gravità. La rimozione del piano di appoggio elimina il contatto 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 il sollevamento e un gradiente o un’onda progressiva controllabile in modo indipendente per la traslazione. Il risultato si può descrivere al meglio come una cella di lavoro acustica ibrida con modalità di levitazione, guida, fusione e aggancio.

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 contrapposto. Le onde incidenti e riflesse interferiscono formando un’onda stazionaria che contiene nodi e ventri di pressione alternati. Un robot liquido corazzato con particelle posto vicino a un nodo stabile subisce una forza acustica mediata nel tempo che contrasta la gravità, mentre i gradienti di pressione correggono piccoli spostamenti e mantengono il robot intrappolato. La distanza del riflettore, la frequenza acustica e l’ampiezza di vibrazione devono essere regolate in base alle dimensioni, alla massa e alla forma del robot. Sonotrodi aggiuntivi o il movimento controllato del campo acustico possono consentire la guida laterale, la rotazione e l’aggancio. A differenza della cavitazione acustica, che comporta la crescita 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. Occorre comunque evitare una pressione sonora eccessiva, perché può deformare il nucleo liquido, distaccare le particelle della corazza o destabilizzare il robot.

La levitazione come meccanismo di sollevamento

In un levitatore con accoppiamento attraverso l’aria, la forza desiderata è la forza di radiazione acustica mediata nel tempo, generata dalla diffusione e dall’assorbimento del campo sonoro. Un riflettore rimanda l’onda incidente verso il sonotrodo e le due onde interferiscono producendo nodi e ventri. Un oggetto denso di dimensioni millimetriche nell’aria può essere intrappolato vicino a un nodo di pressione stabile quando la forza di radiazione diretta verso l’alto ne bilancia il peso e il gradiente di forza corregge piccoli spostamenti. La cavitazione, invece, si verifica all’interno di un liquido quando i cicli di pressione negativa provocano la dinamica delle bolle. I due fenomeni possono coesistere solo se una quantità sufficiente di energia acustica entra nella goccia, ma non devono essere confusi.

Che cosa sono i robot liquidi corazzati con particelle?

Le biglie liquide convenzionali sono gocce rivestite di polvere idrofobica. Le forze capillari trattengono le particelle all’interfaccia liquido-gas e la riorganizzazione delle particelle conferisce alla superficie un comportamento simile a quello di un guscio. Il concetto di PB rafforza questa struttura incorporando una quantità sostanzialmente maggiore di particelle per unità di volume del liquido. Nel procedimento di fabbricazione descritto, un precursore di ghiaccio a forma di parallelepipedo è stato rivestito con particelle di PTFE a scaglie, con un diametro medio nel piano basale di 34 micrometri. Quando il ghiaccio si è sciolto e contratto, le particelle si sono incastrate formando uno strato denso e uniformemente distribuito attorno a un nucleo d’acqua prolato.
Per le geometrie studiate, i PB contenevano una massa di particelle superiore di circa il 59% rispetto alle biglie liquide convenzionali, con un rapporto di impaccamento riportato di 0,983 anziché 0,956. Con un volume di liquido di 75 millimetri cubi, un rapporto d’aspetto vicino a 1,55 ha fornito la massima resistenza alla compressione misurata; la sua forza massima di compressione era superiore del 252% a quella della biglia liquida di confronto. Una forma troppo slanciata indeboliva i lati, quindi una corazza più consistente e un maggiore allungamento non sono automaticamente migliori.
Questa riserva di particelle superficiali mobili consente a un PB di resistere ad aumenti transitori dell’area interfacciale. I robot descritti sono passati comprimendosi attraverso schiere di pilastri idrofili, hanno inglobato sfere di vetro idrofile, si sono fusi sotto un carico acustico verticale, hanno scivolato sulla superficie dell’acqua, hanno trasportato reagenti e hanno rilasciato il proprio contenuto quando un tensioattivo ha fratturato la corazza. La parola robot descrive qui una materia controllata dall’esterno e capace di svolgere compiti; il PB non dispone di attuatori, sensori o fonti di alimentazione a bordo.