입자 외피로 보호된 액체 로봇을 위한 음향 부상
입자 외피로 보호된 액체 로봇은 소형 강체 로봇이 아니라 장에 의해 구동되는 소프트 머신이다. 액체 몸체는 형태를 바꾸고, 장애물을 돌아 흐르며, 적합한 물체를 감싸 삼키고, 이웃한 로봇과 합쳐질 수 있으며, 입자로 이루어진 표피는 액체가 주변 환경을 적시는 것을 막는다. Particle-armored liquid roBot, 즉 PB를 소개한 2025년 Science Advances 연구에서는 22 mm 소노트로드를 장착한 Hielscher UP400S 초음파 변환기(400 W, 24 kHz)를 사용하여 원거리에서 음향 복사력을 가했다. 이 힘은 일반적인 기판 위에서 PB를 밀고 굴렸다. 변환기는 이동 경로 제어 작업에서는 10도 기울였고, 합체 작업에서는 수직으로 배치했다.
음향 추진에서 음향 부유로
진정한 음향 부상은 경계 조건을 바꾼다. 구름 저항을 극복하기 위해 진행파를 사용하는 대신, 서로 마주 보는 소노트로드와 반사판 쌍이 중력에 맞서 로봇을 지탱하는 정상파 압력장을 형성한다. 바닥을 제거하면 고체 접촉이 사라지지만, 음향력을 구름 운동으로 전환하는 데 도움을 주던 마찰도 사라진다. 따라서 실용적인 장치에는 부양을 위한 수직 트랩과 병진 이동을 위해 독립적으로 제어할 수 있는 구배 또는 진행파라는 두 가지 기능이 필요하다. 이러한 장치는 부상, 조향, 합체 및 도킹 모드를 갖춘 하이브리드 음향 작업 셀로 보는 것이 가장 적절하다.
정밀하게 제어되는 Hielscher 초음파 시스템이 입자 외피로 보호된 액체 로봇의 비접촉 부상을 어떻게 가능하게 할 수 있는지 살펴보세요. 구상하신 개념의 시험에 관해 당사의 초음파 전문가와 상담하세요.
입자를 공중에 부유 상태로 유지하는 음향 부상 장치 UP400St(400W, 24kHz)
음향 부상의 작동 원리
음향 부상은 음향 복사력을 이용하여 기계적 접촉 없이 물체를 공중에 띄운다. 일반적인 초음파 부상 장치에서는 소노트로드가 마주 보는 반사판을 향해 고주파 음파를 방출한다. 입사파와 반사파가 간섭하여 압력 마디와 배가 번갈아 나타나는 정상파를 형성한다. 안정된 마디 근처에 배치된 입자 외피로 보호된 액체 로봇에는 중력에 대항하는 시간 평균 음향력이 작용하며, 압력 구배는 작은 변위에 대해 복원력을 제공하여 로봇을 트랩에 가둔 상태로 유지한다. 반사판 간격, 음향 주파수 및 진동 진폭은 로봇의 크기, 질량 및 형상에 맞게 조정해야 한다. 추가 혼을 사용하거나 음향장의 움직임을 제어하면 측방 조향, 회전 및 도킹이 가능하다. 액체 내부에서 기포가 성장하고 붕괴하는 음향 캐비테이션과 달리, 음향 부상은 주로 주변 공기를 통해 전달되는 복사압에 의존한다. 그럼에도 과도한 음압은 액체 코어를 변형시키거나, 외피 입자를 이탈시키거나, 로봇을 불안정하게 만들 수 있으므로 피해야 한다.
부양 메커니즘으로서의 부상
공기 결합형 부상 장치에서 얻고자 하는 힘은 음장의 산란과 흡수로 생성되는 시간 평균 음향 복사력이다. 반사판은 입사파를 혼 쪽으로 되돌려 보내며, 두 파동은 간섭하여 마디와 배를 형성한다. 공기 중에 있는 밀도가 높은 밀리미터 크기의 물체는 위쪽으로 작용하는 복사력이 물체의 무게와 균형을 이루고 힘의 구배가 작은 변위에 대해 복원력을 제공할 때 안정된 압력 마디 근처에 갇힐 수 있다. 반면 캐비테이션은 음압 주기가 기포를 구동할 때 액체 내부에서 발생한다. 두 현상은 충분한 음향 에너지가 액적 내부로 전달되는 경우에만 공존할 수 있지만, 서로 혼동해서는 안 된다.
변환기/부상 장치와 반사판 사이에 형성된 평면 정상파의 압력 마디에서 작은 강체 구가 음향 부상하는 모습.
(연구 및 사진: © Andrade et al. 2018)
입자 외피로 보호된 액체 로봇이란?
기존 액체 마블은 소수성 분말로 코팅된 액적입니다. 모세관력은 입자를 액체–기체 계면에 붙잡아 두며, 입자 재배열로 인해 표면은 껍질과 유사한 응답을 보입니다. PB 개념은 단위 액체 부피당 훨씬 더 많은 입자를 배치하여 이러한 구조를 강화합니다. 보고된 제작 공정에서는 직육면체 얼음 전구체를 평균 기저면 직경이 34 마이크로미터인 박편 형태의 PTFE 입자로 코팅했습니다. 얼음이 녹으면서 수축하자 입자들이 서로 맞물려 장축 방향으로 길쭉한 물 코어 주위에 조밀하고 균일하게 분포된 층을 형성했습니다.
연구된 형상에서 PB의 입자 질량은 기존 액체 마블보다 약 59% 더 많았으며, 보고된 충전율은 0.956이 아닌 0.983이었습니다. 액체 부피가 75 세제곱밀리미터일 때 종횡비가 약 1.55인 경우 측정된 압축 저항이 가장 높았으며, 최대 압축력은 비교 대상 액체 마블보다 252% 더 컸습니다. 형상이 지나치게 가늘고 길면 측면이 약해지므로, 외피의 입자가 더 많고 형상이 더 길쭉하다고 해서 반드시 더 좋은 것은 아닙니다.
이처럼 이동 가능한 표면 입자가 여분으로 존재하기 때문에 PB는 계면 면적이 일시적으로 증가해도 견딜 수 있습니다. 보고된 로봇은 친수성 기둥 배열 사이를 비집고 통과하고, 친수성 유리 구슬을 감싸 삼키고, 수직 음향 하중에 의해 합쳐지고, 수면을 미끄러지듯 이동하고, 시약을 운반했으며, 계면활성제가 외피를 파괴하면 내용물을 방출했습니다. 여기서 로봇이라는 단어는 외부에서 제어되며 작업을 수행할 수 있는 물질을 가리킵니다. PB에는 자체 액추에이터, 센서 또는 전원이 없습니다.
입자 외피로 둘러싸인 액체 로봇
연구 및 이미지: ©Jeon et al., 2025
400 와트 음향 부상 장치 UP400St는 안정적인 압력 마디에서 작은 입자를 부상시켜 표면 접촉 없이 정밀한 음향 위치 제어를 구현합니다.
음향 부상이 액체 로봇에 유용한 이유
가장 문제가 되는 기계적 접촉면 제거
액체 로봇은 표면을 이동하면서 마찰, 거칠기, 부착, 오염 및 예측할 수 없는 젖음에 노출됩니다. 부상은 이러한 접촉을 프로그래밍 가능한 장으로 대체합니다. 이를 통해 섬세한 입자 외피를 보존하고, 고순도 운반물의 손실을 방지하며, 물방울이 고정될 수 있는 표면이나 틈새 위로 로봇이 지나가도록 할 수 있습니다. 또한 이 방법은 전기적으로 중성이며 비자성인 운반물에도 적용할 수 있으므로, 외피에 장에 반응하는 첨가제를 넣을 필요가 없습니다.
용기 없는 미세반응기 구현
부상 상태의 PB는 이동 가능한 운반체이자 작은 반응 용기입니다. 여러 트랩으로 시약을 서로 분리해 둘 수 있으며, 이후 제어된 움직임으로 로봇들을 접촉시켜 합체를 시작할 수 있습니다. 기존 액체 마블에 대한 음향 부상 연구에서는 이미 제어된 외피 개방, 합체 및 유도된 지시약 반응이 입증되었습니다. 더 강한 PB 외피는 조작 가능한 범위를 넓힐 것으로 예상되지만, 이러한 구체적인 이점은 공중에서 아직 측정되지 않았습니다.
새로운 측정 및 이송 모드 구현
음향력으로 중력을 상쇄하므로 카메라는 접촉 부위 없이 자유 변형, 외피 좌굴, 회전 및 증발을 측정할 수 있습니다. 이 장치는 PB를 세 가지 작동 환경 사이에서 이동시킬 수 있습니다. 청정 이송을 위해 부상시키고, 관통 또는 운반물 수거를 위해 표면에 도킹시킨 다음, 반응이나 검사를 위해 트랩으로 복귀시킬 수 있습니다. 이러한 복합 작동 순서는 논문에서 제시한 가장 뛰어난 표면 기반 동작을 유지하면서 비접촉 이송 단계를 추가합니다.
부상이 반드시 더 부드러운 방식인 것은 아닙니다. 높은 음압은 액적을 납작하게 만들거나, 내부 순환을 유발하거나, 액체를 가열하거나, 입자를 벗겨 내거나, 계면을 미립화할 수 있습니다. 사용 가능한 작동 범위는 PB를 포획하는 데 필요한 최소 압력과 비가역적인 외피 재배열의 첫 징후가 나타나는 지점 사이에 있습니다. 부피, 종횡비, 코어 액체 및 외피 재료의 모든 조합에 대해 이 범위를 규명해야 합니다.
음향 부상 장치 UP100H는 비접촉 취급을 위해 초음파 정상파장 안에 액적을 부유시킵니다.
Hielscher 초음파 부상 장치의 강점
직접 이어지는 실험적 계보
Jeon과 동료들(2025)이 발표한 검증된 출발점을 활용하십시오. PB 연구에서는 22 mm 소노트로드를 장착한 Hielscher UP400S를 24 kHz 및 400 W로 사용했습니다. 디지털 모델 UP400St로 전환하면 동일한 공칭 출력 및 주파수 등급을 유지하면서 최신 제어 기능, 프로그래밍 가능한 설정 및 데이터 기록 기능을 추가할 수 있습니다. 정상파 공동은 여전히 새로운 하위 시스템이지만, 이러한 전환은 진행파 조향 채널의 불확실성을 줄여 줍니다.
실용적인 조절 기능을 갖춘 높은 진폭
초음파 처리기 UP400St는 고체 및 액체 입자를 안정적으로 부양시킵니다. 소노트로드는 100% 설정에서 변위가 118 마이크로미터에 이를 수 있습니다. UP400St는 20–100% 진폭 조절, 프로그래밍 가능한 간헐 운전, 자동 주파수 조정 기능을 제공하며, Jeon 등의 2025년 연구에서 사용된 22 mm 티타늄 모델을 비롯한 다양한 소노트로드를 선택할 수 있습니다. 이러한 조합을 통해 단일 켜짐/꺼짐 작동점에 국한되지 않고 임계값을 매핑하고, 작동 조건을 완만하게 변화시키며, 반복 가능한 펄스를 가할 수 있습니다.
계측 및 자동화
UP400St는 진폭, 출력, 시간 및 온도를 SD 카드에 기록하며, 브라우저 인터페이스를 통해 모니터링하거나 제어할 수 있습니다. 음향 안정성은 열 드리프트, 기하학적 형상 및 부하에 민감하므로 이러한 기능은 연구용 부양 장치에 특히 유용합니다. 기록된 설정을 카메라로 측정한 위치 및 변형과 동기화하여 재현 가능한 작동 지도를 작성할 수 있습니다.
실험대에서 견고한 설치 설비로 이어지는 경로
Hielscher 부양 장치는 단독 또는 병렬로 설치할 수 있으며, 요청 시 맞춤형 부양 장치도 제공됩니다. UIP500hdT는 발생기와 변환기가 분리되어 있고 IP64 등급 변환기를 사용하므로, 인클로저가 습기나 우발적인 로봇 파열에 대응해야 하는 경우 유용합니다. 이는 제조업체의 주장이므로 견적에 명시된 정확한 구성을 기준으로 확인해야 합니다.
Hielscher는 음향 부양을 위해 세 가지 표준 유형의 부양 장치를 제공합니다:
부양 기술로 액체 로봇을 안정적으로 띄우십시오!
음향 부양 및 액체 로봇에 관한 자주 묻는 질문
음향 부양이란 무엇입니까?
음향 부양은 소리를 이용해 물체를 공중에 띄우고 위치를 정하는 비접촉 방식입니다. 초음파 방사체와 반사판이 정상 압력파를 형성하며, 그 결과 발생하는 음향 방사력은 중력과 균형을 이루어 물체를 안정적인 압력 마디 근처에 유지할 수 있습니다.
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초음파 부양 장치는 어떻게 작동합니까?
초음파 부양 장치는 소노트로드에서 마주 보는 반사판을 향해 고주파 음파를 보냅니다. 입사파와 반사파가 간섭하여 마디와 배를 형성합니다. 음압, 반사판 간격 및 물체 위치를 적절하게 조정하면 입자나 액적을 안정적인 마디에 포획할 수 있습니다.
입자 외장 액체 로봇이란 무엇입니까?
입자 외장 액체 로봇은 소수성 입자가 조밀하게 충전된 외피로 둘러싸인 변형 가능한 액체 몸체입니다. 이 외장은 젖음을 제한하며, 로봇이 이동하거나 모양을 바꾸거나 다른 액적과 합쳐지거나 작은 탑재물을 운반하는 동안 내용물을 유지하도록 돕습니다.
입자 외장 액체 로봇은 리퀴드 마블과 어떻게 다릅니까?
두 시스템 모두 소수성 입자로 둘러싸인 액체로 구성됩니다. 그러나 입자 외장 액체 로봇은 제어된 이동과 기능적 작업을 지원하도록 설계된, 특히 조밀하고 기계적 저항성이 높은 입자 외피를 갖습니다. 또한 표면의 추가 입자 덕분에 액체 몸체가 변형될 때 외장이 재배열될 수 있습니다.
Hielscher 초음파 처리기로 입자 외장 액체 로봇을 부양시킬 수 있습니까?
Hielscher 초음파 장비는 정상파 음향 부상용으로 구성할 수 있으며, Hielscher UP400S는 이미 고체 표면에서 입자 장갑형 액체 로봇을 구동하는 데 사용되었습니다. 이러한 특정 로봇을 공중에 직접 부상시키는 것은 아직 공학적 개념 단계에 있으며, 포획 안정성, 가열, 변형 및 입자 손실에 대한 실험적 검증이 필요합니다.
음향 부상 연구에 적합한 Hielscher 초음파 처리기는 무엇인가요?
정격 출력이 400와트이고 주파수가 24킬로헤르츠인 Hielscher UP400St는 진폭 조절, 펄스 작동, 자동 주파수 조정 및 공정 데이터 기록 기능을 제공하므로 실험실 개발의 합리적인 출발점입니다. 적합한 초음파 처리기, 소노트로드 및 반사판 형상은 궁극적으로 로봇의 치수, 질량, 형태 및 필요한 작동 모드에 따라 달라집니다.
음향 부상과 음향 캐비테이션의 차이는 무엇인가요?
음향 부상은 주로 기체, 일반적으로 공기 내의 방사압을 이용하여 물체를 띄웁니다. 음향 캐비테이션은 액체 내부에서 압력 주기로 인해 기포가 성장하고 붕괴할 때 발생합니다. 캐비테이션은 강한 전단, 마이크로제트 및 가열을 일으킬 수 있으므로, 일반적인 부상에 사용되는 더 온화한 정상파 메커니즘과 혼동해서는 안 됩니다.
음향 부상이 액체 로봇에 유용한 이유는 무엇인가요?
부상은 고체 표면과의 접촉을 없애므로 마찰, 부착, 오염 및 제어되지 않는 젖음을 줄입니다. 이를 통해 지지 기판 없이 액체 로봇의 청정 운반, 무용기 반응 및 검사가 가능해질 수 있습니다. 또한 로봇을 부상 작동 모드와 표면 기반 작동 모드 사이에서 전환할 수도 있습니다.
음향 부상으로 액체 로봇을 조향하거나 회전시키거나 합칠 수 있나요?
네, 하지만 수직으로 띄우는 것만으로는 충분하지 않습니다. 음향 트랩을 이동하거나 반사판을 옮기거나 추가 초음파원으로 제어된 압력 구배를 가하면 측방향 운동을 일으킬 수 있습니다. 카메라 피드백은 조향, 회전, 도킹 및 여러 로봇의 제어된 합체를 조절하는 데 도움이 될 수 있습니다.
문헌 / 참고문헌
- 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 Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 시작하여 산업 규모까지 제조합니다.