Levitação acústica de robôs líquidos couraçados com partículas

Um robô líquido couraçado com partículas é uma máquina flexível acionada por um campo, em vez de um robô rígido em miniatura. O seu corpo líquido pode mudar de forma, escoar em torno de obstáculos, englobar um objeto compatível e fundir-se com um robô vizinho, enquanto uma película de partículas impede que o líquido molhe o meio envolvente. O estudo de 2025 publicado na Science Advances que apresentou o robô líquido couraçado com partículas, ou PB, utilizou um transdutor ultrassónico Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) com um sonotrodo de 22 mm para exercer força de radiação acústica à distância. A força empurrou e fez rolar o PB sobre substratos comuns; o transdutor foi inclinado 10 graus para tarefas de navegação e orientado verticalmente para a fusão.

Da propulsão acústica à suspensão acústica

A verdadeira levitação acústica altera a condição de fronteira. Em vez de utilizar uma onda progressiva para vencer a resistência ao rolamento, um par de sonotrodo e refletor colocados frente a frente produz um campo de pressão estacionário que sustenta o robô contra a gravidade. A remoção da superfície de apoio elimina o contacto sólido, mas também elimina o atrito que ajudava a converter a força acústica em movimento de rolamento. Uma máquina prática necessita, por isso, de duas funções: uma armadilha vertical para elevação e um gradiente ou uma onda progressiva controlável de forma independente para translação. O resultado é mais bem entendido como uma célula de trabalho acústica híbrida com modos de levitação, condução, fusão e acoplamento.

O princípio de funcionamento da levitação acústica

A levitação acústica utiliza forças de radiação acústica para suspender um objeto sem contacto mecânico. Num levitador ultrassónico típico, um sonotrodo emite som de alta frequência em direção a um refletor colocado à sua frente. As ondas incidente e refletida interferem entre si para formar uma onda estacionária com nós e ventres de pressão alternados. Um robô líquido couraçado com partículas colocado perto de um nó estável fica sujeito a uma força acústica média no tempo que contraria a gravidade, enquanto os gradientes de pressão corrigem pequenos deslocamentos e mantêm o robô retido na armadilha. A distância entre o sonotrodo e o refletor, a frequência acústica e a amplitude de vibração devem ser ajustadas ao tamanho, à massa e à forma do robô. Sonotrodos adicionais ou o movimento controlado do campo acústico podem permitir a condução lateral, a rotação e o acoplamento. Ao contrário da cavitação acústica, que envolve o crescimento e o colapso de bolhas no interior de um líquido, a levitação acústica assenta principalmente na pressão de radiação transmitida através do ar circundante. Ainda assim, deve evitar-se uma pressão sonora excessiva, pois esta pode deformar o núcleo líquido, deslocar partículas da couraça ou desestabilizar o robô.

Levitação como mecanismo de elevação

Num levitador com acoplamento através do ar, a força pretendida é a força de radiação acústica média no tempo, criada pela dispersão e absorção do campo sonoro. Um refletor devolve a onda incidente em direção ao sonotrodo, e as duas ondas interferem entre si para produzir nós e ventres. Um objeto denso de dimensões milimétricas no ar pode ficar retido perto de um nó de pressão estável quando a força de radiação ascendente equilibra o seu peso e o gradiente de força corrige pequenos deslocamentos. A cavitação, por sua vez, ocorre no interior de um líquido quando os ciclos de pressão negativa induzem a dinâmica das bolhas. Os dois fenómenos só podem coexistir se entrar energia acústica suficiente na gotícula, mas não devem ser confundidos.

O que são robôs líquidos couraçados com partículas?

Os mármores líquidos convencionais são gotículas revestidas com pó hidrofóbico. As forças capilares mantêm as partículas na interface líquido–gás, e o rearranjo das partículas confere à superfície uma resposta semelhante à de um invólucro. O conceito PB reforça essa arquitetura ao incorporar substancialmente mais partículas por unidade de volume de líquido. No processo de fabrico descrito, um precursor de gelo de forma cuboide foi revestido com partículas de PTFE em forma de flocos, com um diâmetro médio no plano basal de 34 micrómetros. Quando o gelo derreteu e se contraiu, as partículas ficaram compactadas numa camada densa e uniformemente distribuída em torno de um núcleo de água de forma prolata.
Para as geometrias estudadas, os PB continham cerca de 59% mais massa de partículas do que os mármores líquidos convencionais, com uma razão de empacotamento reportada de 0,983 em vez de 0,956. Com um volume de líquido de 75 milímetros cúbicos, uma razão de aspeto próxima de 1,55 proporcionou a maior resistência à compressão medida; a sua força máxima de compressão foi 252% superior à do mármore líquido utilizado para comparação. Uma forma demasiado esguia enfraquecia as partes laterais, pelo que mais couraça e maior alongamento não são automaticamente melhores.
Essa reserva de partículas móveis à superfície permite a um PB sobreviver a aumentos transitórios da área interfacial. Os robôs descritos passaram, comprimindo-se, através de conjuntos de pilares hidrofílicos, englobaram esferas de vidro hidrofílicas, fundiram-se sob carga acústica vertical, deslizaram sobre a água, transportaram reagentes e libertaram o seu conteúdo quando um tensioativo fraturou a couraça. A palavra robô descreve aqui matéria controlada externamente e capaz de executar tarefas; o PB não possui qualquer atuador, sensor ou fonte de energia incorporados.