Akustiskā levitācija ar daļiņām bruņotiem šķidrajiem robotiem
Ar daļiņām bruņots šķidrais robots ir ar lauku darbināma mīksta mašīna, nevis miniatūrs stingrs robots. Tā šķidrais ķermenis var mainīt formu, aptecēt šķēršļus, ietvert sevī saderīgu objektu un saplūst ar blakus esošu robotu, savukārt daļiņu apvalks neļauj šķidrumam slapināt apkārtējo vidi. Žurnālā Science Advances 2025. gadā publicētajā pētījumā, kurā tika ieviests ar daļiņām bruņotais šķidrais robots jeb PB, izmantoja Hielscher UP400S ultraskaņas pārveidotāju (400 W, 24 kHz) ar 22 mm sonotrodi, lai no attāluma iedarbotos ar akustiskā starojuma spēku. Šis spēks stūma un ripināja PB pa parastām pamatnēm; navigācijas uzdevumiem pārveidotāju sasvēra par 10 grādiem, bet sapludināšanai to orientēja vertikāli.
No akustiskās piedziņas līdz akustiskajai noturēšanai gaisā
Īsta akustiskā levitācija maina robežnosacījumu. Tā vietā, lai izmantotu skrejvilni rites pretestības pārvarēšanai, pretēji novietots sonotrodes un reflektora pāris rada stāvošu spiediena lauku, kas notur robotu pret gravitācijas spēku. Pamatnes noņemšana novērš saskari ar cietu virsmu, taču vienlaikus novērš arī berzi, kas palīdzēja pārvērst akustisko spēku rites kustībā. Tādēļ praktiskai mašīnai ir nepieciešamas divas funkcijas: vertikāls slazds pacelšanai un neatkarīgi vadāms gradients vai skrejvilnis translācijas kustībai. Rezultātu vislabāk uztvert kā hibrīdu akustisko darba šūnu ar levitācijas, virzīšanas, sapludināšanas un pievienošanās režīmiem.
Uzziniet, kā precīzi vadāma Hielscher ultraskaņas sistēma varētu nodrošināt ar daļiņām bruņotu šķidro robotu bezkontakta levitāciju. Apspriediet savas koncepcijas izmēģināšanu ar mūsu ultraskaņas speciālistiem.
Akustiskais levitators UP400St (400W, 24kHz), kas notur daļiņu gaisā
Akustiskās levitācijas darbības princips
Akustiskā levitācija izmanto akustiskā starojuma spēkus, lai noturētu objektu gaisā bez mehāniska kontakta. Tipiskā ultraskaņas levitatorā sonotrode izstaro augstfrekvences skaņu pretī novietota reflektora virzienā. Krītošais un atstarotais vilnis interferē, veidojot stāvvilni ar pārmaiņus izvietotiem spiediena mezgliem un vēderiem. Uz ar daļiņām bruņotu šķidro robotu, kas novietots stabila mezgla tuvumā, iedarbojas laikā vidējots akustiskais spēks, kas darbojas pret gravitāciju, savukārt spiediena gradienti kompensē nelielas novirzes un notur robotu slazdā. Attālums līdz reflektoram, akustiskā frekvence un svārstību amplitūda ir jāpielāgo robota izmēram, masai un formai. Papildu ultraskaņas koncentratori vai vadāma akustiskā lauka pārvietošana var nodrošināt sānu virzīšanu, rotāciju un pievienošanos. Atšķirībā no akustiskās kavitācijas, kas ietver burbuļu augšanu 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 šķidro kodolu, atraut bruņu daļiņas vai destabilizēt robotu.
Levitācija kā pacelšanas mehānisms
Levitatorā, kurā skaņa tiek pārvadīta caur gaisu, vēlamais spēks ir laikā vidējots akustiskā starojuma spēks, ko rada skaņas lauka izkliede un absorbcija. Reflektors atstaro krītošo vilni atpakaļ koncentratora virzienā, un abi viļņi interferē, veidojot mezglus un vēderus. Blīvu, milimetru izmēra objektu gaisā var noturēt stabila spiediena mezgla tuvumā, ja augšupvērstais starojuma spēks līdzsvaro tā svaru un spēka gradients kompensē nelielas novirzes. Turpretī kavitācija notiek šķidruma iekšienē, kad negatīva spiediena cikli ierosina burbuļu dinamiku. Abas parādības var pastāvēt vienlaikus tikai tad, ja pilienā nonāk pietiekami daudz akustiskās enerģijas, taču tās nevajadzētu jaukt.
Mazas stingras lodes akustiskā levitācija plakana stāvviļņa spiediena mezglā; stāvv ilnis izveidots starp pārveidotāju/levitatoru un reflektoru.
(pētījums un attēli: © Andrade et al. 2018)
Kas ir ar daļiņām bruņoti šķidrie roboti?
Parastās šķidruma lodītes ir pilieni, kas pārklāti ar hidrofobu pulveri. Kapilārie spēki notur daļiņas uz šķidruma un gāzes robežvirsmas, un daļiņu pārkārtošanās nodrošina virsmai apvalkam raksturīgu mehānisko reakciju. PB koncepcija nostiprina šo uzbūvi, ievērojami palielinot daļiņu daudzumu uz šķidruma tilpuma vienību. Aprakstītajā izgatavošanas procesā taisnstūra paralēlskaldņa formas ledus sagatave tika pārklāta ar pārslveida PTFE daļiņām, kuru vidējais diametrs bazālajā plaknē bija 34 mikrometri. Ledum kūstot un saraujoties, daļiņas sablīvējās blīvā, vienmērīgi izkliedētā slānī ap iegarenu ūdens kodolu.
Pētītajām ģeometrijām PB daļiņu masa bija aptuveni par 59% lielāka nekā parastajām šķidruma lodītēm, un norādītais pakojuma koeficients bija 0,983, salīdzinot ar 0,956. Ja šķidruma tilpums bija 75 kubikmilimetri, malu attiecība ap 1,55 nodrošināja visaugstāko izmērīto saspiešanas pretestību; maksimālais saspiešanas spēks bija par 252% lielāks nekā salīdzinājumam izmantotajai šķidruma lodītei. Pārāk slaida forma vājināja sānus, tāpēc lielāks bruņu daudzums un lielāks pagarinājums automātiski nenozīmē labāku rezultātu.
Šī kustīgo virsmas daļiņu rezerve ļauj PB izturēt īslaicīgu robežvirsmas laukuma palielināšanos. Aprakstītie roboti izspiedās cauri hidrofilu stabiņu masīviem, ietvēra sevī hidrofilas stikla lodītes, saplūda vertikālas akustiskās slodzes ietekmē, slīdēja pa ūdens virsmu, transportēja reaģentus un izlaida savu saturu, kad virsmaktīvā viela sašķēla bruņas. Vārds «robots» šeit apzīmē ārēji vadāmu matēriju, kas spēj veikt uzdevumus; PB nav iebūvēta izpildmehānisma, sensora vai enerģijas avota.
Ar daļiņu bruņām klāts šķidrais robots
Pētījums un attēls: ©Jeon et al., 2025
400 vatu akustiskais levitators UP400St levitē nelielu daļiņu stabilā spiediena mezglā, demonstrējot precīzu akustisko pozicionēšanu bez saskares ar virsmu.
Kāpēc akustiskā levitācija ir noderīga šķidrajiem robotiem
Tā novērš visvairāk problēmu izraisošo mehānisko saskares virsmu
Pārvietojoties pa virsmu, šķidrais robots tiek pakļauts berzei, nelīdzenumiem, adhēzijai, piesārņojumam un neparedzamai slapināšanai. Levitācija aizstāj šo saskari ar programmējamu lauku. Tas var saglabāt trauslo daļiņu apvalku, novērst augstas tīrības pakāpes kravas zudumu un ļaut robotam šķērsot spraugas vai virsmas, kas piesaistītu ūdens pilienu un neļautu tam pārvietoties. Tas arī padara metodi piemērotu elektriski neitrālu un nemagnētisku kravu pārvietošanai, tāpēc bruņām nav jāpievieno uz lauku reaģējošas piedevas.
Tā rada mikroreaktoru bez konteinera
Levitācijā noturēts PB ir gan pārvietojams iepakojums, gan neliels reakcijas trauks. Vairāki slazdi var noturēt reaģentus atsevišķi; pēc tam vadīta kustība var satuvināt robotus līdz saskarei, lai sāktu saplūšanu. Parasto šķidruma lodīšu akustiskās levitācijas pētījumos jau ir demonstrēta kontrolēta apvalka atvēršana, saplūšana un ierosināta indikatora reakcija. Izturīgākajam PB apvalkam vajadzētu paplašināt izmantojamo manipulāciju diapazonu, lai gan šī konkrētā priekšrocība vēl ir jāizmēra levitācijas apstākļos gaisā.
Tā nodrošina jaunus mērīšanas un pārvietošanas režīmus
Akustiski kompensējot gravitācijas spēku, ar kamerām var mērīt brīvu deformāciju, apvalka izļodzīšanos, rotāciju un iztvaikošanu bez saskares laukuma. Iekārta var pārvietot PB starp trim darbības vidēm: noturēt to levitācijā tīrai transportēšanai, pievienot to virsmai, lai tas iespiestos tajā vai uzņemtu kravu, un atgriezt to slazdā reakcijas veikšanai vai pārbaudei. Šī hibrīdā secība saglabā publikācijā aprakstītās visizteiktākās darbības spējas uz virsmām, vienlaikus papildinot tās ar bezkontakta pārvietošanas posmu.
Levitācija automātiski nav saudzīgāka. Augsts skaņas spiediens var saplacināt pilienu, izraisīt iekšēju cirkulāciju, uzsildīt šķidrumu, atraut daļiņas vai izsmidzināt šķidrumu no robežvirsmas. Izmantojamais darbības diapazons atrodas starp minimālo spiedienu, kas nepieciešams PB noturēšanai slazdā, un pirmo neatgriezeniskas apvalka pārkārtošanās pazīmi. Šis diapazons ir jānosaka katrai tilpuma, malu attiecības, kodola šķidruma un bruņu materiāla kombinācijai.
Akustiskais levitators UP100H notur šķidruma pilienu stāvošā ultraskaņas laukā, nodrošinot bezkontakta manipulācijas.
Hielscher ultraskaņas levitatoru priekšrocības
Tieša pēctecība eksperimentālajā izstrādē
Izmantojiet pārbaudītos sākumpunktus, ko publicējuši Jeon un kolēģi (2025). PB pētījumā tika izmantots Hielscher UP400S ar 24 kHz frekvenci, 400 W jaudu un 22 mm sonotrodi. Pāreja uz digitālo modeli UP400St saglabā to pašu nominālās jaudas un frekvences klasi, vienlaikus pievienojot mūsdienīgu vadību, programmējamus iestatījumus un datu reģistrēšanu. Tas samazina nenoteiktību skrejviļņa vadības kanālā, lai gan stāvviļņa rezonators joprojām ir jauna apakšsistēma.
Liela amplitūda ar praktiskām regulēšanas iespējām
Ultraskaņas ierīce UP400St uzticami nodrošina cietu un šķidru daļiņu levitāciju. Pie 100% iestatījuma sonotrodes pārvietojums var sasniegt 118 mikrometrus. UP400St nodrošina amplitūdas regulēšanu no 20 līdz 100%, programmējamu darbību intervālos, automātisku frekvences pielāgošanu un sonotrožu izvēli, tostarp 22 mm titāna modeli, kas izmantots Jeon et al., 2025 pētījumā. Šī kombinācija ļauj noteikt sliekšņus, pakāpeniski un saudzīgi mainīt amplitūdu un radīt atkārtojamus impulsus, neaprobežojoties ar vienu ieslēgšanas/izslēgšanas darba punktu.
Mēraparatūra un automatizācija
UP400St reģistrē amplitūdu, jaudu, laiku un temperatūru SD kartē, un to var uzraudzīt vai vadīt, izmantojot pārlūkprogrammas saskarni. Šīs funkcijas ir īpaši noderīgas pētnieciskam levitatoram, jo akustiskā stabilitāte ir jutīga pret termisko dreifu, ģeometriju un slodzi. Reģistrētos iestatījumus var sinhronizēt ar pozīcijas un deformācijas datiem, kas iegūti ar kameru, lai izveidotu reproducējamu darbības karti.
Ceļš no laboratorijas galda līdz izturīgai iekārtai
Hielscher levitatorus var uzstādīt atsevišķi vai paralēli; pēc pieprasījuma ir pieejami arī individuāli pielāgoti levitatori. UIP500hdT ģenerators un pārveidotājs ir atdalīti, un tajā izmantots pārveidotājs ar IP64 aizsardzības pakāpi, kas ir noderīgi, ja korpusam jāiztur mitrums vai nejauša robota pārplīšana. Tie ir ražotāja apgalvojumi, un tie jāpārbauda attiecībā uz precīzo piedāvājumā norādīto konfigurāciju.
Akustiskajai levitācijai Hielscher piedāvā trīs levitatoru standartveidus:
- UP100H – 30kHz, 100 W levitators
- UP400ST – 24kHz, 400W levitators
- UIP500hdT – 20kHz, 500W levitators
Uzticami paceliet savus šķidros robotus, izmantojot levitāciju!
Bieži uzdotie jautājumi par akustisko levitāciju un šķidrajiem robotiem
Kas ir akustiskā levitācija?
Akustiskā levitācija ir bezkontakta metode objekta noturēšanai gaisā un pozicionēšanai ar skaņas palīdzību. Ultraskaņas izstarotājs un atstarotājs rada stāvošu spiediena vilni, un iegūtais akustiskā starojuma spēks var līdzsvarot gravitācijas spēku un noturēt objektu stabila spiediena mezgla tuvumā.
Lasiet vairāk par akustisko levitāciju un tās lietojumiem!
Kā darbojas ultraskaņas levitators?
Ultraskaņas levitators virza augstfrekvences skaņu no sonotrodes uz pretī novietotu atstarotāju. Krītošie un atstarotie viļņi interferē, veidojot mezglus un blīzumus. Kad akustiskais spiediens, attālums līdz atstarotājam un objekta pozīcija ir pareizi noregulēti, daļiņu vai pilienu var noturēt stabilā mezglā.
Kas ir šķidrais robots ar daļiņu bruņām?
Šķidrais robots ar daļiņu bruņām ir deformējams šķidruma ķermenis, ko ietver blīvi sakārtotu hidrofobu daļiņu apvalks. Šīs bruņas ierobežo slapināšanu un palīdz robotam saglabāt tā saturu, kamēr tas pārvietojas, maina formu, saplūst ar citiem pilieniem vai pārvadā nelielas kravas.
Ar ko šķidrais robots ar daļiņu bruņām atšķiras no šķidruma lodītes?
Abas sistēmas sastāv no šķidruma, ko ieskauj hidrofobas daļiņas. Tomēr šķidrajam robotam ar daļiņu bruņām ir īpaši blīvs, mehāniski izturīgs daļiņu apvalks, kas paredzēts kontrolētas kustības un funkcionālu uzdevumu veikšanas nodrošināšanai. Papildu daļiņas uz tā virsmas arī ļauj bruņām pārkārtoties, šķidruma ķermenim deformējoties.
Vai Hielscher ultraskaņas ierīces var nodrošināt šķidro robotu ar daļiņu bruņām levitāciju?
Hielscher ultraskaņas iekārtas var konfigurēt stāvviļņu akustiskajai levitācijai, un Hielscher UP400S jau ir izmantots ar daļiņām bruņotu šķidro robotu darbināšanai uz cietām virsmām. Šo konkrēto robotu tieša levitācija gaisā joprojām ir inženiertehniska koncepcija, kas eksperimentāli jāvalidē attiecībā uz akustiskā slazda stabilitāti, uzsilšanu, deformāciju un daļiņu zudumu.
Kurš Hielscher ultraskaņas aparāts ir piemērots akustiskās levitācijas pētījumiem?
Hielscher UP400St, kura nominālā jauda ir 400 vati un frekvence ir 24 kiloherci, ir loģisks sākumpunkts izstrādei laboratorijā, jo tas nodrošina regulējamu amplitūdu, darbību impulsu režīmā, automātisku frekvences pielāgošanu un procesa datu reģistrēšanu. Piemērotā ultraskaņas aparāta, sonotrodes un reflektora ģeometrijas izvēle galu galā ir atkarīga no robota izmēriem, masas, formas un nepieciešamajiem darbības režīmiem.
Kāda ir atšķirība starp akustisko levitāciju un akustisko kavitāciju?
Akustiskā levitācija galvenokārt balstās uz starojuma spiedienu gāzē, parasti gaisā, lai noturētu objektu suspendētā stāvoklī. Akustiskā kavitācija notiek šķidrumā, kad spiediena cikli izraisa burbuļu augšanu un sabrukšanu. Kavitācija var radīt intensīvu bīdi, mikrostrūklas un uzsilšanu, tāpēc to nevajadzētu sajaukt ar saudzīgāko stāvviļņu mehānismu, ko izmanto parastai levitācijai.
Kāpēc akustiskā levitācija ir noderīga šķidrajiem robotiem?
Levitācija novērš saskari ar cietām virsmām un tādējādi samazina berzi, adhēziju, piesārņojumu un nekontrolētu slapināšanu. Tā var nodrošināt tīru transportēšanu, reakcijas bez trauka un šķidrā robota pārbaudi bez atbalsta substrāta. Robotu var arī pārvietot starp levitācijas un darbības uz virsmas režīmiem.
Vai ar akustisko levitāciju var vadīt, pagriezt vai sapludināt šķidros robotus?
Jā, taču ar vertikālu noturēšanu vien nepietiek. Sānu kustību var radīt, pārvietojot akustisko slazdu, nobīdot reflektoru vai ar papildu ultraskaņas avotu radot kontrolētu spiediena gradientu. Kameras atgriezeniskā saite var palīdzēt regulēt kustības vadību, rotāciju, dokošanu un vairāku robotu kontrolētu sapludināšanu.
Literatūra / Atsauces
- 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 ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas iekārtām līdz rūpnieciska mēroga iekārtām.