Akustiskā levitācija daļiņām bruņotiem šķidruma robotiem

Daļiņām bruņots šķidrais robots ir lauka vadāma mīksta mašīna, nevis miniatūrs cietais robots. Tā šķidrais ķermenis spēj mainīt formu, plūst ap šķēršļiem, apņemt saderīgu objektu un saplūst ar blakus esošo, savukārt daļiņu apvalks neļauj šķidrumam samitrināt apkārtējo vidi. 2025. gada žurnāla „Science Advances” pētījumā, kurā tika iepazīstināts ar daļiņu bruņoto šķidruma robotu jeb PB, tika izmantots Hielscher UP400S ultraskaņas devējs (400 W, 24 kHz) ar 22 mm sonotrodu, lai no attāluma izraisītu akustisko starojuma spēku. Šis spēks stūma un ripināja PB pāri parastiem substrātiem; navigācijas uzdevumu veikšanai devējs bija noliekts par 10 grādiem, savukārt apvienošanās nolūkā tas tika novietots vertikāli.

No akustiskā piedziņas līdz akustiskajai piekarei

Īsta akustiskā levitācija maina robežnosacījumus. Tā vietā, lai izmantotu progresīvu vilni rites pretestības pārvarēšanai, pretēji novietots sonotroda–reflektora pāris rada stāvošu spiediena lauku, kas atbalsta robotu pret gravitāciju. Grīdas noņemšana likvidē kontaktu ar cietu virsmu, taču vienlaikus novērš arī berzi, kas palīdzēja pārvērst akustisko spēku rites kustībā. Tādēļ praktiskai ierīcei ir nepieciešamas divas funkcijas: vertikāla fiksācija pacelšanai un neatkarīgi vadāms gradients vai progresīvs vilnis pārvietošanai. Rezultātu vislabāk var uztvert kā hibrīdu akustisko darba šūnu ar levitācijas, vadības, apvienošanās un piestāšanās režīmiem.

Akustiskās levitācijas darbības princips

Akustiskā levitācija izmanto akustiskā starojuma spēkus, lai noturētu objektu gaisā bez mehāniska kontakta. Tipiskā ultraskaņas levitatorā sonotrods izstaro augstfrekvences skaņu pretī esošajam reflektoram. Ienākošās un atstarotās viļņi interferē, veidojot stāvošu vilni, kurā mijas spiediena mezgli un antimezgli. Daļiņu bruņots šķidruma robots, kas novietots stabila mezgla tuvumā, piedzīvo laika vidējo akustisko spēku, kas neitralizē gravitāciju, savukārt spiediena gradienti atjauno nelielus pārvietojumus un notur robotu fiksētā stāvoklī. Reflektora attālums, akustiskā frekvence un vibrācijas amplitūda jāpielāgo robota izmēram, masai un formai. Papildu ragi vai akustiskā lauka kontrolēta kustība var nodrošināt sānu vadību, rotāciju un piestāšanu. Atšķirībā no akustiskās kavitācijas, kas saistīta ar burbuļu veidošanos un sabrukšanu šķidrumā, akustiskā levitācija galvenokārt balstās uz starojuma spiedienu, kas tiek pārnests caur apkārtējo gaisu. Tomēr ir jāizvairās no pārmērīga skaņas spiediena, jo tas var deformēt šķidruma kodolu, atdalīt bruņojuma daļiņas vai destabilizēt robotu.

Levitācija kā pacelšanas mehānisms

Gaisa savienojuma levitatorā vēlamais spēks ir laika vidējais akustiskā starojuma spēks, ko rada skaņas lauka izkliede un absorbcija. Reflektors nosūta ienākošo vilni atpakaļ uz ragu, un abas viļņi interferē, veidojot mezglus un antimezglus. Blīvs milimetru lieluma objekts gaisā var tikt noturēts stabila spiediena mezgla tuvumā, ja uz augšu vērstā starojuma spēka iedarbība līdzsvaro tā svaru un spēka gradients atjauno nelielus pārvietojumus. Savukārt kavitācija notiek šķidrumā, kad negatīva spiediena cikli rada burbuļus. Abas parādības var pastāvēt vienlaikus tikai tad, ja pilienā nonāk pietiekami daudz akustiskās enerģijas, taču tās nedrīkst sajaukt.

Kas ir ar daļiņām bruņoti šķidrie roboti?

Parastās šķidrās marmora lodītes ir pilieni, kas pārklāti ar hidrofobu pulveri. Kapilārās spēkas notur daļiņas šķidruma un gāzes robežvirsmā, un daļiņu pārkārtošanās piešķir virsmai čaulasveida reakciju. PB koncepcija nostiprina šo struktūru, ievietojot ievērojami vairāk daļiņu uz vienu šķidruma tilpuma vienību. Aprakstītajā izgatavošanas procesā kubveida ledus priekštecis tika pārklāts ar plāksnveida PTFE daļiņām, kuru vidējais diametrs pamatplaknē bija 34 mikrometri. Kad ledus izkusa un saruka, daļiņas saspiežās blīvā, vienmērīgi izkliedētā slānī ap izstieptu ūdens kodolu.
Pētītajām ģeometrijām PBs pārvadīja aptuveni par 59 % lielāku daļiņu masu nekā parastie šķidrie marmori, un to blīvuma koeficients bija 0,983, nevis 0,956. Pie šķidruma tilpuma 75 kubikmilimetriem augstāko izmērīto saspiešanas pretestību nodrošināja garuma un platuma attiecība ap 1,55; tā maksimālā saspiešanas spēka vērtība bija par 252 % lielāka nekā salīdzinājumā izmantotajai šķidrajai bumbiņai. Pārāk slaida forma vājināja sānus, tādēļ lielāks apvalks un lielāks izstiepums ne vienmēr nozīmē labākus rezultātus.
Šī mobilo virsmas daļiņu rezerve ļauj PB izturēt īslaicīgu robežvirsmas laukuma palielināšanos. Pētījumos aprakstītie roboti izspraucās cauri hidrofilu pīlāru masīviem, apņēma hidrofilas stikla lodītes, saplūda vertikālas akustiskas slodzes ietekmē, slīdēja pa ūdens virsmu, pārvadāja reaģentus un iztukšoja to saturu, kad virsmaktīvā viela pārrāva bruņojumu. Vārds „robots” šeit apraksta ārēji vadītu, uzdevumus veicošu vielu; PB nav ne iebūvēta piedziņas mehānisma, ne sensora, ne enerģijas avota.