Acoustic Levitation for Particle-Armored Liquid Robots
E Partikel-gepanzerte Flëssegroboter ass eng Feldbetrieb mëll Maschinn anstatt e Miniatur steiwe Roboter. Säi flëssege Kierper kann d'Form änneren, ronderëm Hindernisser fléien, e kompatiblen Objet verschwannen a mat engem Noper fusionéieren, während eng partikel Haut verhënnert datt d'Flëssegkeet d'Ëmwelt befeucht. D'2025 Science Advances Studie, déi de Partikel-gepanzerte Flësseg Roboter, oder PB agefouert huet, huet en Hielscher UP400S Ultraschalltransducer (400 W, 24 kHz) mat enger 22 mm Sonotrode benotzt fir akustesch Stralungskraaft vun enger Distanz auszeüben. D'Kraaft huet de PB iwwer gewéinleche Substrate gedréckt a gerullt; den Transducer war 10 Grad fir Navigatiounsaufgaben geneigt a vertikal fir Fusioun orientéiert.
Vun akustescher Propulsioun bis akustesch Suspension
Richteg akustesch Levitatioun ännert d'Grenzkonditioun. Amplaz vun enger progressiver Welle ze benotzen fir d'Rollingresistenz ze iwwerwannen, produzéiert e opposéierte Sonotrode-Reflektorpaar e stoend Drockfeld dat de Roboter géint d'Schwéierkraaft ënnerstëtzt. De Buedem erofhuelen eliminéiert zolitte Kontakt, awer et läscht och d'Reibung déi gehollef huet d'akustesch Kraaft an d'Rollbewegung ëmzewandelen. Eng praktesch Maschinn brauch dofir zwou Funktiounen: eng vertikal Fal fir Lift an eng onofhängeg kontrolléierbar Gradient oder progressiv Welle fir Iwwersetzung. D'Resultat ass am beschten als Hybrid akustesch Workcell mat Levitate, Steer, Merge an Dock Modi ugesinn.
Explore how a precisely controlled Hielscher ultrasonic system could enable contact-free levitation of particle-armored liquid robots. Talk to our ultrasonic specialists about testing your concept.
Acoustic levitator UP400St (400W, 24kHz) holding a particle mid-air suspendend
The Working Principle of Acoustic Levitation
Akustesch Levitatioun benotzt akustesch Stralungskräften fir en Objet ouni mechanesche Kontakt z'suspendéieren. An engem typeschen Ultraschall-Levitator emittéiert eng Sonotrode héichfrequenz Klang op en opposéierende Reflektor. Den Tëschefall a reflektéierte Wellen interferéieren fir eng stänneg Welle ze bilden mat alternéierend Drockknoten an Antinoden. E Partikel-gepanzerte flëssege Roboter, deen no bei engem stabilen Node plazéiert ass, erliewt eng Zäitduerchschnëtt akustesch Kraaft, déi d'Schwéierkraaft entgéintwierkt, während Drockgradienten kleng Verschiebungen restauréieren an de Roboter agespaart halen. D'Reflektorabstand, d'akustesch Frequenz an d'Vibrationsamplitude mussen op d'Gréisst, d'Mass an d'Form vum Roboter ofgestëmmt ginn. Zousätzlech Horns oder kontrolléiert Bewegung vum akustesche Feld kënne lateral Lenkung, Rotatioun an Docking ubidden. Am Géigesaz zu der akustescher Kavitatioun, déi de Wuesstum an den Zesummebroch vu Blasen an enger Flëssegkeet involvéiert, hänkt akustesch Levitatioun haaptsächlech op Stralungsdrock iwwer d'Loft ëmginn. Exzessive Schalldrock soll trotzdem vermeit ginn, well et de flëssege Kär deforméiere kann, Rüstungspartikelen ausléisen oder de Roboter destabiliséieren.
Levitation as Lifting Mechanism
In an air-coupled levitator, the desired force is the time-averaged acoustic radiation force created by scattering and absorption of the sound field. A reflector sends the incident wave back toward the horn, and the two waves interfere to produce nodes and antinodes. A dense millimetric object in air can be trapped near a stable pressure node when the upward radiation force balances its weight and the force gradient restores small displacements. Cavitation, by contrast, occurs inside a liquid when negative pressure cycles drive bubbles. The two phenomena can coexist only if enough acoustic energy enters the droplet, but they should not be conflated.
Akustesch levitation vun enger klenger steiwe Sphär um Drock Node vun engem Fliger stoung Welle tëscht engem transducer / levitator an engem reflector etabléiert.
(Etude a Biller: © Andrade et al. 2018)
What are Particle-Armored Liquid Robots?
Konventionell flësseg Marmer sinn Drëpsen déi mat hydrophobeem Pudder beschichtet sinn. Kapillär Kräften halen d'Partikel op der Flëssegkeet-Gas-Interface, an d'Partikel-Rearrangement gëtt der Uewerfläch eng Shell-ähnlech Äntwert. D'PB-Konzept stäerkt dës Architektur andeems se wesentlech méi Partikel pro Eenheet Flëssegkeetsvolumen lueden. An der gemellt Fabrikatioun Wee, engem cuboid Äis Virleefer war mat flake-wëll PTFE Deelchen mat engem Duerchschnëtt Basal-Fliger Duerchmiesser vun 34 micrometer Beschichtete. Wann d'Äis geschmoltenem a kontraktéiert ass, hunn d'Partikelen an eng dichten, eenheetlech verdeelt Schicht ronderëm e prolat Waasserkär gestoppt.
Fir d'Geometrie studéiert hunn PBs ongeféier 59% méi Partikelmass gedroen wéi konventionell flësseg Marmer, mat engem gemellt Verpackungsverhältnis vun 0,983 anstatt 0,956. Bei engem Flëssegkeetsvolumen vu 75 Kubikmillimeter huet en Aspektverhältnis bei 1,55 déi héchst gemoossene Kompressiounsresistenz ginn; seng maximal Kompressiounskraaft war 252% méi grouss wéi déi vum Verglach flëssege Marmer. Ze schlank Form huet d'Säiten geschwächt, sou datt méi Rüstung a méi Verlängerung net automatesch besser sinn.
That reserve of mobile surface particles lets a PB survive transient increases in interfacial area. The reported robots squeezed through hydrophilic pillar arrays, engulfed hydrophilic glass beads, merged under vertical acoustic loading, skimmed across water, transported reagents and discharged their contents when a surfactant fractured the armor. The word robot here describes externally controlled, task-capable matter; the PB has no onboard actuator, sensor or power source.
Particle-armored liquid robot
Study and image: ©Jeon et al., 2025
Den 400 Watt akustesche Levitation UP400St levitéiert eng kleng Partikel op engem stabile Drockknoten, wat präzis akustesch Positioun ouni Uewerflächeskontakt weist.
Firwat akustesch Levitation fir flësseg Roboter nëtzlech ass
Et ewechhëlt déi meescht problematesch mechanesch Interface
Uewerflächsrees setzt e flëssege Roboter Reibung, Rauerheet, Haftung, Kontaminatioun an onprévisibel Befeuchtung aus. Levitation ersetzt dëse Kontakt mat engem programméierbare Feld. Dëst ka e empfindlechen Partikelschuel erhalen, Verloscht vu héichreine Cargo verhënneren an dem Roboter erlaben, Iwwerleeungen oder Uewerflächen ze iwwerwannen, déi en Waassertropfen festhalen. Et mécht d'Method och kompatibel mat elektresch netrale an netmagnetesch Cargo, sou datt d'Rüstung net mat feldreaktiven Zusatzer beluede muss ginn.
Et kreéiert en mikroreaktor ouni Behälter
E suspendéierte PB ass gläichzäiteg e mobilen Package a e klenge Reaktiounsgefäß. Mehrfach Traps kënnen Reagentien getrennt halen; kontrolléiert Bewegung kann duerno Roboteren an Kontakt bréngen fir Koaleszenz z'initialiséieren. Akustesch Léiftstudien op konventionelle flësseg Marmelen hunn scho kontrolléiert Schlaeföffnung, Koaleszenz an eng ausgeléist Indikatorreaktioun demonstréiert. Déi méi staark PB-Schuel sollt d'usable Manipulatiounsfënster vergréisseren, och wann déi spezifesch Virdeel nach an der Loft soll moosst ginn.
Et erméiglecht nei Mooss- a Transfermodi
Mat Schwéierkraaft akustesch ënnerstëtzt, kënnen d'Kameraen fräi Verformung, Schuelschnouer, Rotatioun an Verdampfung moossen ouni Kontaktfleck. D'Apparat kann e PB tëscht dräi Betribssystemer Ëmfeld: levitate fir propper Transport, Dock op eng Uewerfläch fir Pénétratioun oder cargo Pickup, an zréck an d'Fal fir Reaktioun oder Inspektioun. Dës Hybrid-Sequenz behält de stäerkste Uewerfläch-baséiert Verhalen vum Pabeier wärend e kontaktfräien Transferschicht bäidréit.
Levitation is not automatically gentler. High sound pressure can flatten the droplet, drive internal circulation, heat the liquid, strip particles or atomize the interface. The usable operating window lies between the minimum pressure needed to trap the PB and the first sign of irreversible shell rearrangement. That window must be mapped for every combination of volume, aspect ratio, core liquid and armor material.
The acoustic levitator UP100H suspends a liquid droplet in a standing ultrasonic field for contact-free handling.
Strengths of Hielscher Ultrasonic Levitators
A direct experimental lineage
Take advantage of the established starting points published by Jeon and colleagues (2025). The PB study used the Hielscher UP400S at 24 kHz and 400 W with a 22 mm sonotrode. Moving to the digital model UP400St preserves the same nominal power-frequency class while adding modern control, programmable settings and data logging. This reduces uncertainty in the progressive-wave steering channel, even though the standing-wave cavity remains a new subsystem.
High amplitude with practical adjustability
The sonicator UP400St reliabley levitates solid and liquid particles. The sonotrode can reach 118 micrometers of displacement at the 100% setting. The UP400St provides 20-to-100% amplitude adjustment, programmable interval operation, automatic frequency tuning and a choice of sonotrodes, including the 22 mm titanium model used in the study by Jeon et al., 2025. This combination supports threshold mapping, gentle ramps and repeatable pulses rather than a single on/off operating point.
Instrumentation and automation
The UP400St records amplitude, power, time and temperature to an SD card and can be monitored or controlled through a browser interface. Those features are unusually useful for a research levitator because acoustic stability is sensitive to thermal drift, geometry and load. Logged settings can be synchronized with camera-derived position and deformation to produce a reproducible operating map.
A path from bench to robust installation
Hielscher levitators can be installed singly or in parallel; additionally custom levitators are available on request. The UIP500hdT separates generator and transducer and uses an IP64-rated transducer, which is attractive when an enclosure must handle moisture or accidental robot rupture. These are manufacturer claims and should be verified against the exact quoted configuration.
For acoustic levitation, Hielscher offers three standard types of levitators:
- UP100H – en 30 kHz, 100 W Levitator
- UP 400 St – en 24kHz, 400W Levitator
- UIP500hdT – en 20kHz, 500W Levitator
Lift your Liquid Robots Reliably with Levitation!
Frequently Asked Questions about Acoustic Levitation and Liquid Robots
What is acoustic levitation?
Akustesche Lévitation ass eng kontaktfräi Method fir en Objet mam Klang ze suspendéieren an ze positionéieren. En ultraschall Emitter a Reflektor kreéieren eng stoe Stroumdrockwelle, an d'entstinn akustescht Stralungskraft kann d'Gravitatioun ausgläichen an en Objet bei engem stabilem Drockknoten halen.
Léiert méi iwwer akustesch Lévitation an hir Uwendungsfäll!
Wéi funktionéiert en ultraschall Lévitator?
En ultraschall Lévitator riicht héichfrequenten Toun vum Sonotrode op en entgéintsteet Reflektor. D'inkident an reflektéiert Wellen stéieren sech fir Knoten a Antiknoten ze bilden. Wann de akustesche Drock, d'Reflektor Distanz an d'Positioun vum Objet richteg ajustéiert sinn, ka en Deelchen oder Drëpschen bei engem stabile Knoten gefaang ginn.
Wat ass en Deelchen-rüstegen flëssege Roboter?
A particle-armored liquid robot is a deformable liquid body enclosed by a densely packed shell of hydrophobic particles. This armor limits wetting and helps the robot retain its contents while it moves, changes shape, merges with other droplets or transports small payloads.
How is a particle-armored liquid robot different from a liquid marble?
Both systems consist of liquid surrounded by hydrophobic particles. However, a particle-armored liquid robot has a particularly dense, mechanically resistant particle shell designed to support controlled movement and functional tasks. Its additional surface particles also allow the armor to rearrange as the liquid body deforms.
Can Hielscher sonicators levitate particle-armored liquid robots?
Hielscher ultrasonic equipment can be configured for standing-wave acoustic levitation, and a Hielscher UP400S has already been used to actuate particle-armored liquid robots on solid surfaces. Direct mid-air levitation of these specific robots remains an engineering concept that must be validated experimentally for trap stability, heating, deformation and particle loss.
Which Hielscher sonicator is suitable for acoustic levitation research?
The Hielscher UP400St, rated at 400 watts and 24 kilohertz, is a logical starting point for laboratory development because it offers adjustable amplitude, pulsed operation, automatic frequency tuning and process-data recording. The appropriate sonicator, sonotrode and reflector geometry ultimately depend on the robot’s dimensions, mass, shape and required operating modes.
What is the difference between acoustic levitation and acoustic cavitation?
Akustesch Levitatioun baséiert haaptsächlech op Stralungsdrock an engem Gas, normalerweis Loft, fir en Objet ze suspendéieren. Akustesch Kavitatioun geschitt an enger Flëssegkeet wann Drockzyklen d'Blasen verursaachen an ze kollapsen. Kavitatioun kann intensiv Schéier, Mikrojets an Heizung generéieren, sou datt et net sollt duerchernee ginn mat dem méi sanft Standwellemechanismus, dee fir Routine Levitatioun benotzt gëtt.
Firwat ass akustesch Levitatioun nëtzlech fir flësseg Roboteren?
Levitatioun läscht Kontakt mat festen Flächen a reduzéiert dofir Reibung, Adhäsioun, Kontaminatioun an onkontrolléiert Befeuchtung. Et kann propperen Transport, Containerlos Reaktiounen an Inspektioun vun engem flëssege Roboter ouni ënnerstëtzend Substrat erméiglechen. De Roboter kann och tëscht levitéierten an Uewerflächebaséierten Operatiounsmodi geréckelt ginn.
Kann akustescht Levitation flësseg Roboter steieren, dréinen oder fusionéieren?
Jo, awer vertikal Suspendéierung eleng ass net genuch. Lateral Beweegung kann erzeugt ginn duerch d'Beweegung vun der akustescher Trap, d'Verschiebung vum Reflektor oder d'Applikatioun vun engem kontrolléierten Drockgradient mat enger zousätzlecher ultraschele Quell. Kamera-Feedback kann hëllefen d’Steierung, Dréien, Docking an d’kontrolléiert Mëschung vun e puer Roboter ze reguléieren.
Literatur / Referenzen
- 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 fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.