粒子装甲液体ロボットのための音響浮揚
粒子装甲液体ロボットは、小型の剛体ロボットではなく、場によって駆動されるソフトマシンです。その液体の本体は、形状を変え、障害物を回り込むように流動し、適合する物体を取り込み、隣接するロボットと合体できます。一方、粒子からなる表皮は、液体が周囲を濡らすのを防ぎます。Particle-armored liquid roBot、略称PBを紹介した2025年のScience Advancesの研究では、22 mmのソノトロードを備えたHielscher UP400S超音波振動子（400 W、24 kHz）を使用し、離れた位置から音響放射力を作用させました。この力によってPBは通常の基板上で押され、転がりました。振動子は、移動制御の課題では10度傾け、合体時には垂直に配置しました。
音響推進から音響浮揚へ
真の音響浮揚は境界条件を変えます。転がり抵抗を克服するために進行波を使用する代わりに、対向するソノトロードと反射板の組み合わせによって定在音圧場を生成し、重力に抗してロボットを支えます。床面を取り除くと固体との接触がなくなりますが、音響力を転がり運動に変換するのに役立っていた摩擦もなくなります。そのため、実用的なマシンには、浮き上がらせるための垂直方向のトラップと、並進移動のための独立して制御可能な勾配または進行波という二つの機能が必要です。その結果として得られるシステムは、浮揚、操舵、合体、ドッキングの各モードを備えたハイブリッド音響ワークセルと捉えるのが最も適切です。
精密に制御されたHielscher超音波システムが、粒子装甲液体ロボットの非接触浮揚をどのように実現できるかをご検討ください。構想の試験について、当社の超音波専門家にご相談ください。
粒子を空中に浮遊させて保持する音響浮揚装置UP400St（400W、24kHz）
音響浮揚の動作原理
音響浮揚は、音響放射力を利用して、機械的に接触することなく物体を浮遊させます。一般的な超音波浮揚装置では、ソノトロードが対向する反射板に向けて高周波の音を放射します。入射波と反射波が干渉し、音圧の節と腹が交互に現れる定在波を形成します。安定した節の近くに置かれた粒子装甲液体ロボットには、重力に対抗する時間平均の音響力が作用し、音圧勾配が微小な変位を元に戻して、ロボットをトラップ内に保持します。反射板の間隔、音響周波数、振動振幅は、ロボットの大きさ、質量、形状に合わせて調整する必要があります。ホーンを追加するか、音場を制御して移動させることで、横方向の操舵、回転、ドッキングが可能になります。液体内部で気泡が成長して崩壊する音響キャビテーションとは異なり、音響浮揚は主に周囲の空気を通じて伝わる放射圧に依存します。それでも、過度な音圧は避ける必要があります。液体のコアを変形させたり、装甲粒子を脱落させたり、ロボットを不安定にしたりする可能性があるためです。
持ち上げ機構としての浮揚
空気を介して音響エネルギーを伝える浮揚装置では、必要とする力は、音場の散乱と吸収によって生じる時間平均の音響放射力です。反射板は入射波をホーンに向けて反射し、二つの波が干渉して節と腹を形成します。空気中にある密度の高いミリメートル規模の物体は、上向きの放射力がその重さと釣り合い、力の勾配が微小な変位を元に戻す場合、安定した音圧の節の近くに捕捉できます。これに対して、キャビテーションは、負圧の周期が気泡を駆動することで液体内部に生じます。この二つの現象が共存できるのは、十分な音響エネルギーが液滴に入る場合に限られますが、両者を混同してはいけません。
振動子／浮揚装置と反射板の間に形成された平面定在波の音圧の節における、小さな剛体球の音響浮揚。
（研究および画像：© Andrade et al. 2018）
粒子装甲液体ロボットとは？
従来のリキッドマーブルは、疎水性粉末で被覆された液滴です。毛管力が粒子を液体と気体の界面に保持し、粒子の再配列によって表面が殻のように応答します。PBの概念は、液体の単位体積当たりの粒子量を大幅に増やすことで、この構造を強化します。報告された作製方法では、直方体の氷の前駆体を、底面の平均直径が34マイクロメートルの薄片状PTFE粒子で被覆しました。氷が融解して収縮すると、粒子がジャミングを起こし、長球状の水コアの周囲に高密度で均一に分布した層を形成しました。
研究対象となった形状では、PBの粒子質量は従来のリキッドマーブルより約59%多く、報告された充填率は0.956ではなく0.983でした。液体体積が75立方ミリメートルの場合、約1.55のアスペクト比で、測定された圧縮抵抗が最も高くなりました。その最大圧縮力は、比較対象のリキッドマーブルより252%大きい値でした。細長すぎる形状は側面を弱くするため、装甲を増やし、形状をより細長くすれば必ず良くなるわけではありません。
このように移動可能な表面粒子が余分にあることで、PBは界面積の一時的な増加に耐えられます。報告されたロボットは、親水性の柱の配列を押し縮められながら通過し、親水性ガラスビーズを取り込み、垂直方向の音響負荷の下で合体し、水面を滑るように移動し、試薬を輸送し、界面活性剤が装甲を破壊すると内容物を放出しました。ここでいうロボットとは、外部から制御され、作業を実行できる物質を指します。PBにはアクチュエーター、センサー、電源は搭載されていません。
粒子装甲液体ロボット
研究および画像：©Jeon et al., 2025
400ワットの音響浮揚装置UP400Stは、安定した音圧の節で小さな粒子を浮揚させ、表面に接触することなく精密な音響位置決めができることを示しています。
音響浮揚が液体ロボットに役立つ理由
最も厄介な機械的接触界面を取り除く
表面上を移動すると、液体ロボットは摩擦、粗さ、付着、汚染、予測できない濡れの影響を受けます。浮揚は、その接触をプログラム可能な場に置き換えます。これにより、繊細な粒子殻を保護し、高純度の運搬物の損失を防ぎ、水滴を固定してしまうような隙間や表面の上をロボットが通過できるようになる可能性があります。また、電気的に中性で非磁性の運搬物にもこの方法を適用できるため、装甲に場応答性の添加物を配合する必要がありません。
容器不要のマイクロリアクターを実現する
浮遊するPBは、移動可能なパッケージであると同時に、小さな反応容器でもあります。複数のトラップで試薬を分離して保持し、その後、制御された移動によってロボット同士を接触させ、合一を開始できます。従来のリキッドマーブルを用いた音響浮揚の研究では、殻の開放の制御、合一、刺激によって開始される指示薬反応がすでに実証されています。より強固なPBの殻は、操作に利用できる範囲を広げると考えられますが、この特定の利点は、空中ではまだ測定されていません。
新たな測定・移送モードを可能にする
音響力で重力に抗して支えることで、カメラは接触領域のない状態で自由変形、殻の座屈、回転、蒸発を測定できます。この装置は、三つの動作環境の間でPBを移行させることができます。清浄な輸送のために浮揚させ、通過や運搬物の取り込みのために表面にドッキングさせ、反応や検査のためにトラップへ戻します。このハイブリッドな手順は、論文で示された表面上での最も優れた挙動を維持しながら、非接触の移送段階を追加します。
浮揚が必ずしも穏やかな処理になるわけではありません。高い音圧は、液滴を扁平化し、内部循環を引き起こし、液体を加熱し、粒子を剥離させ、あるいは界面を霧化する可能性があります。利用可能な動作範囲は、PBを捕捉するのに必要な最低音圧から、殻の不可逆的な再配列の最初の兆候が現れるまでの間にあります。この範囲は、体積、アスペクト比、コア液体、装甲材料の組み合わせごとに明らかにする必要があります。
音響浮揚装置UP100Hは、非接触で取り扱うために、定在超音波場の中で液滴を浮遊させます。
Hielscher超音波浮揚装置の強み
先行実験から直接つながる系譜
Jeonら（2025）が公表した、確立された出発点をご活用ください。PBの研究では、22 mmのソノトロードを備えたHielscher UP400Sを24 kHz、400 Wで使用しました。デジタルモデルUP400Stへ移行すると、同じ公称出力・周波数クラスを維持しながら、最新の制御、プログラム可能な設定、データ記録を追加できます。定在波キャビティは依然として新たなサブシステムですが、この移行により、進行波による操舵系統の不確実性を減らせます。
高振幅と実用的な調整機能
超音波処理装置UP400Stは、固体粒子と液体粒子を確実に浮揚させます。ソノトロードは、100%設定で118マイクロメートルの変位に達することができます。UP400Stは、20–100%の振幅調整、プログラム可能な間欠運転、自動周波数調整を備え、Jeon et al., 2025の研究で使用された22 mmのチタン製モデルを含む各種ソノトロードを選択できます。この組み合わせにより、単一のオン／オフ動作点だけでなく、閾値の把握、緩やかな立ち上げ、再現性のあるパルス動作に対応できます。
計測と自動化
UP400Stは、振幅、出力、時間、温度をSDカードに記録し、ブラウザーインターフェースを通じて監視または制御できます。音響的な安定性は熱ドリフト、形状、負荷の影響を受けやすいため、これらの機能は研究用浮揚装置にとって特に有用です。記録された設定を、カメラから得られた位置および変形のデータと同期させることで、再現可能な動作マップを作成できます。
卓上実験から堅牢な設備への道筋
Hielscherの浮揚装置は、単独でも並列でも設置できます。また、ご要望に応じてカスタム浮揚装置も提供しています。UIP500hdTは発振器と振動子を分離し、IP64等級の振動子を使用しているため、筐体が湿気やロボットの偶発的な破裂に対応する必要がある場合に魅力的です。これらはメーカーによる主張であり、見積もりで提示された正確な構成に照らして確認する必要があります。
音響浮揚用として、Hielscherは三種類の標準浮揚装置を提供しています：
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音響浮揚と液体ロボットに関するよくある質問
音響浮揚とは？
音響浮揚は、音を使って物体を浮遊させ、位置決めする非接触の方法です。超音波放射器と反射板が定在音圧波を生成し、それによって生じる音響放射力が重力と釣り合うことで、安定した音圧の節の近くに物体を保持できます。
音響浮揚とその応用について詳しくはこちら！
超音波浮揚装置はどのように動作しますか？
超音波浮揚装置は、ソノトロードから対向する反射板に向けて高周波の音を放射します。入射波と反射波が干渉して節と腹を形成します。音圧、反射板の間隔、物体の位置を適切に調整すると、粒子や液滴を安定した節に捕捉できます。
粒子装甲液体ロボットとは？
粒子装甲液体ロボットは、高密度に充填された疎水性粒子の殻で包まれた、変形可能な液体の本体です。この装甲は濡れを抑え、ロボットが移動し、形状を変え、他の液滴と合体し、あるいは小さな運搬物を輸送する際に、内容物を保持するのを助けます。
粒子装甲液体ロボットはリキッドマーブルとどのように異なりますか？
どちらも、疎水性粒子に囲まれた液体で構成されています。ただし、粒子装甲液体ロボットには、制御された移動や機能的な作業を支えるように設計された、特に高密度で機械的抵抗性のある粒子殻があります。また、表面粒子が余分にあることで、液体の本体が変形する際に装甲を再配列できます。
Hielscherの超音波処理装置は粒子装甲液体ロボットを浮揚させることができますか？
Hielscherの超音波装置は、定在波による音響浮揚に対応するように構成できます。また、Hielscher UP400Sは、固体表面上で粒子装甲液体ロボットを駆動するためにすでに使用されています。これらの特定のロボットを直接空中に浮揚させることは、依然として工学的な構想の段階にあり、トラップの安定性、加熱、変形、粒子の損失について実験的に検証する必要があります。
音響浮揚の研究には、どのHielscher超音波処理装置が適していますか？
定格400ワット、24キロヘルツのHielscher UP400Stは、振幅調整、パルス運転、自動周波数調整、プロセスデータ記録の機能を備えているため、研究室での開発の出発点として合理的です。適切な超音波処理装置、ソノトロード、反射板の形状は、最終的にはロボットの寸法、質量、形状、必要な動作モードによって決まります。
音響浮揚と音響キャビテーションの違いは何ですか？
音響浮揚は、主に気体、通常は空気中の放射圧に依存して物体を浮遊させます。音響キャビテーションは、圧力の周期的変動によって気泡が成長し崩壊することで、液体内部に生じます。キャビテーションは強いせん断、マイクロジェット、加熱を生じさせる可能性があるため、通常の浮揚に使用される、より穏やかな定在波の機構と混同してはいけません。
音響浮揚が液体ロボットに役立つのはなぜですか？
浮揚は固体表面との接触をなくすため、摩擦、付着、汚染、制御されていない濡れを減らします。支持基板なしで、液体ロボットの清浄な輸送、容器不要の反応、検査を可能にすることがあります。また、ロボットを浮揚状態と表面上での動作モードの間で移行させることも可能です。
音響浮揚で液体ロボットを操舵、回転、合体させることはできますか？
はい。ただし、垂直方向に浮遊させるだけでは十分ではありません。横方向の移動は、音響トラップを移動させる、反射板をずらす、あるいは追加の超音波源で制御された音圧勾配を加えることで生み出せます。カメラのフィードバックは、操舵、回転、ドッキング、複数のロボットの制御された合体を調整するのに役立ちます。
文献／参考文献
- 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.
Hielscher Ultrasonicsは、 研究室規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。