Lewitacja akustyczna ciekłych robotów opancerzonych cząstkami

Ciekły robot opancerzony cząstkami jest miękką maszyną napędzaną za pomocą pola, a nie miniaturowym sztywnym robotem. Jego ciekłe ciało może zmieniać kształt, opływać przeszkody, pochłaniać kompatybilny obiekt i łączyć się z sąsiednim robotem, podczas gdy powłoka z cząstek zapobiega zwilżaniu otoczenia przez ciecz. W badaniu opublikowanym w 2025 roku w Science Advances, w którym przedstawiono ciekłego robota opancerzonego cząstkami (Particle-armored liquid roBot), czyli PB, zastosowano przetwornik ultradźwiękowy Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) z sonotrodą o średnicy 22 mm do wywierania siły promieniowania akustycznego na odległość. Siła ta popychała i przetaczała PB po zwykłych podłożach; podczas zadań nawigacyjnych przetwornik był nachylony pod kątem 10 stopni, a podczas łączenia robotów był ustawiony pionowo.

Od napędu akustycznego do zawieszenia akustycznego

Rzeczywista lewitacja akustyczna zmienia warunek brzegowy. Zamiast wykorzystywać falę biegnącą do pokonywania oporu toczenia, para złożona z ustawionych naprzeciw siebie sonotrody i reflektora wytwarza stojące pole ciśnienia, które utrzymuje robota wbrew sile grawitacji. Usunięcie podłoża eliminuje kontakt z ciałem stałym, ale usuwa również tarcie, które pomagało przekształcać siłę akustyczną w ruch toczny. Praktyczna maszyna potrzebuje zatem dwóch funkcji: pionowej pułapki do unoszenia oraz niezależnie sterowanego gradientu lub fali biegnącej do ruchu postępowego. Powstały układ najlepiej traktować jako hybrydowe akustyczne stanowisko robocze z trybami lewitacji, sterowania ruchem, łączenia i dokowania.

Zasada działania lewitacji akustycznej

Lewitacja akustyczna wykorzystuje siły promieniowania akustycznego do zawieszania obiektu bez kontaktu mechanicznego. W typowym lewitatorze ultradźwiękowym sonotroda emituje dźwięk o wysokiej częstotliwości w kierunku reflektora ustawionego naprzeciwko. Fale padająca i odbita interferują, tworząc falę stojącą zawierającą naprzemiennie węzły i strzałki ciśnienia. Na ciekłego robota opancerzonego cząstkami, umieszczonego w pobliżu stabilnego węzła, działa uśredniona w czasie siła akustyczna, która przeciwdziała grawitacji, podczas gdy gradienty ciśnienia korygują niewielkie przemieszczenia i utrzymują robota w pułapce. Odległość między sonotrodą a reflektorem, częstotliwość akustyczna i amplituda drgań muszą być dostosowane do rozmiaru, masy i kształtu robota. Dodatkowe sonotrody lub kontrolowany ruch pola akustycznego mogą umożliwiać sterowanie ruchem bocznym, obracanie i dokowanie. W przeciwieństwie do kawitacji akustycznej, która obejmuje wzrost i zapadanie się pęcherzyków wewnątrz cieczy, lewitacja akustyczna opiera się przede wszystkim na ciśnieniu promieniowania przenoszonym przez otaczające powietrze. Należy jednak unikać nadmiernego ciśnienia akustycznego, ponieważ może ono deformować ciekły rdzeń, odrywać cząstki pancerza lub destabilizować robota.

Lewitacja jako mechanizm unoszenia

W lewitatorze ze sprzężeniem przez powietrze pożądaną siłą jest uśredniona w czasie siła promieniowania akustycznego powstająca wskutek rozpraszania i pochłaniania pola dźwiękowego. Reflektor odbija falę padającą z powrotem w kierunku sonotrody, a obie fale interferują, tworząc węzły i strzałki. Obiekt o dużej gęstości i milimetrowych rozmiarach znajdujący się w powietrzu może zostać uwięziony w pobliżu stabilnego węzła ciśnienia, gdy skierowana w górę siła promieniowania równoważy jego ciężar, a gradient siły koryguje niewielkie przemieszczenia. Kawitacja natomiast zachodzi wewnątrz cieczy, gdy cykle ujemnego ciśnienia pobudzają pęcherzyki. Oba zjawiska mogą współistnieć tylko wtedy, gdy do kropli dociera wystarczająca ilość energii akustycznej, ale nie należy ich utożsamiać.

Czym są ciekłe roboty opancerzone cząstkami?

Konwencjonalne ciekłe marmurki to krople pokryte hydrofobowym proszkiem. Siły kapilarne utrzymują cząstki na granicy faz ciecz–gaz, a zmiana rozmieszczenia cząstek sprawia, że powierzchnia reaguje podobnie jak powłoka. Koncepcja PB wzmacnia tę strukturę przez zastosowanie znacznie większej liczby cząstek na jednostkę objętości cieczy. W opisanej metodzie wytwarzania lodowy prekursor w kształcie prostopadłościanu pokrywano płatkowymi cząstkami PTFE o średniej średnicy w płaszczyźnie bazalnej wynoszącej 34 mikrometry. Gdy lód topniał i kurczył się, cząstki zakleszczały się, tworząc gęstą, równomiernie rozmieszczoną warstwę wokół wydłużonego rdzenia wodnego.
W przypadku badanych geometrii masa cząstek w PB była o około 59% większa niż w konwencjonalnych ciekłych marmurkach, a podany współczynnik upakowania wynosił 0,983 zamiast 0,956. Przy objętości cieczy wynoszącej 75 milimetrów sześciennych stosunek długości do szerokości bliski 1,55 zapewniał najwyższą zmierzoną odporność na ściskanie; maksymalna siła ściskania była o 252% większa niż w przypadku ciekłego marmurka użytego do porównania. Zbyt smukły kształt osłabiał boki, dlatego większa ilość pancerza i większe wydłużenie nie są automatycznie lepsze.
Ten zapas ruchomych cząstek powierzchniowych pozwala PB przetrwać przejściowe zwiększenie powierzchni międzyfazowej. Opisane roboty przeciskały się przez układy hydrofilowych słupków, pochłaniały hydrofilowe szklane kulki, łączyły się pod wpływem pionowego obciążenia akustycznego, ślizgały się po powierzchni wody, transportowały odczynniki i uwalniały swoją zawartość, gdy środek powierzchniowo czynny rozrywał pancerz. Słowo robot oznacza tutaj materię sterowaną zewnętrznie i zdolną do wykonywania zadań; PB nie ma wbudowanego elementu wykonawczego, czujnika ani źródła zasilania.