Акустическая левитация жидких роботов с оболочкой из частиц

Жидкий робот с оболочкой из частиц представляет собой мягкую машину, приводимую в действие полем, а не миниатюрного жёсткого робота. Его жидкое тело может менять форму, обтекать препятствия, поглощать совместимый объект и сливаться с соседним роботом, а оболочка из частиц препятствует смачиванию окружающих поверхностей жидкостью. В исследовании 2025 года, опубликованном в Science Advances и представившем жидкого робота с оболочкой из частиц под названием Particle-armored liquid roBot, или PB, использовали ультразвуковой преобразователь Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) с сонотродом диаметром 22 mm для дистанционного воздействия силой акустического радиационного давления. Эта сила толкала и перекатывала PB по обычным подложкам; для задач навигации преобразователь наклоняли на 10 градусов, а для слияния ориентировали вертикально.

От акустического приведения в движение к акустическому подвешиванию

Истинная акустическая левитация меняет граничное условие. Вместо использования бегущей волны для преодоления сопротивления качению расположенные друг напротив друга сонотрод и отражатель создают стоячее поле давления, которое удерживает робота, противодействуя силе тяжести. Удаление опорной поверхности исключает контакт с твёрдым телом, но одновременно устраняет трение, которое помогало преобразовывать акустическую силу в качение. Поэтому практически применимой машине нужны две функции: вертикальная ловушка для подъёма и независимо управляемый градиент или бегущая волна для поступательного перемещения. Полученную систему лучше всего рассматривать как гибридную акустическую рабочую ячейку с режимами левитации, управления движением, слияния и стыковки.

Принцип действия акустической левитации

Акустическая левитация использует силы акустического радиационного давления для удержания объекта в подвешенном состоянии без механического контакта. В типичном ультразвуковом левитаторе сонотрод излучает высокочастотный звук в сторону расположенного напротив отражателя. Падающая и отражённая волны интерферируют, образуя стоячую волну с чередующимися узлами и пучностями давления. Жидкий робот с оболочкой из частиц, помещённый вблизи устойчивого узла, испытывает усреднённую по времени акустическую силу, противодействующую силе тяжести, а градиенты давления компенсируют небольшие смещения и удерживают робота в ловушке. Расстояние до отражателя, акустическую частоту и амплитуду колебаний необходимо подбирать в соответствии с размером, массой и формой робота. Дополнительные ультразвуковые излучатели или управляемое перемещение акустического поля могут обеспечивать управление боковым перемещением, вращение и стыковку. В отличие от акустической кавитации, при которой пузырьки растут и схлопываются внутри жидкости, акустическая левитация в основном основана на радиационном давлении, передаваемом через окружающий воздух. Тем не менее следует избегать чрезмерного звукового давления, поскольку оно может деформировать жидкое ядро, выбить частицы из оболочки или дестабилизировать робота.

Левитация как механизм подъёма

В левитаторе, передающем звук через воздух, требуемая сила представляет собой усреднённую по времени силу акустического радиационного давления, возникающую вследствие рассеяния и поглощения звукового поля. Отражатель направляет падающую волну обратно к ультразвуковому излучателю, и две волны интерферируют, образуя узлы и пучности. Плотный объект миллиметрового размера в воздухе можно удерживать в ловушке вблизи устойчивого узла давления, когда направленная вверх сила радиационного давления уравновешивает его вес, а градиент силы компенсирует небольшие смещения. Кавитация, напротив, возникает внутри жидкости, когда циклы отрицательного давления вызывают динамику пузырьков. Эти два явления могут сосуществовать только при поступлении в каплю достаточного количества акустической энергии, но их не следует смешивать.

Что такое жидкие роботы с оболочкой из частиц?

Обычные жидкие шарики представляют собой капли, покрытые гидрофобным порошком. Капиллярные силы удерживают частицы на границе раздела жидкость–газ, а перестройка частиц придаёт поверхности механическое поведение, характерное для оболочки. Концепция PB усиливает эту структуру благодаря существенно большему количеству частиц на единицу объёма жидкости. В описанном способе изготовления ледяную заготовку в форме прямоугольного параллелепипеда покрывали пластинчатыми частицами PTFE со средним диаметром в базальной плоскости 34 микрометра. Когда лёд таял и уменьшался в объёме, частицы заклинивались, образуя плотный, равномерно распределённый слой вокруг вытянутого водяного ядра.
Для исследованных геометрических форм масса частиц в PB была примерно на 59% больше, чем в обычных жидких шариках, а заявленный коэффициент упаковки составлял 0,983 вместо 0,956. При объёме жидкости 75 кубических миллиметров соотношение сторон около 1,55 обеспечивало наибольшее измеренное сопротивление сжатию; максимальная сила сжатия была на 252% больше, чем у жидкого шарика, использованного для сравнения. Слишком вытянутая форма ослабляла боковые стороны, поэтому увеличение количества частиц оболочки и степени удлинения не обязательно улучшает свойства.
Этот запас подвижных поверхностных частиц позволяет PB выдерживать кратковременное увеличение площади межфазной поверхности. Описанные роботы протискивались через массивы гидрофильных столбиков, поглощали гидрофильные стеклянные шарики, сливались под вертикальной акустической нагрузкой, скользили по воде, переносили реагенты и высвобождали своё содержимое, когда поверхностно-активное вещество разрушало оболочку. Слово «робот» здесь обозначает материю, управляемую извне и способную выполнять задачи; у PB нет встроенного исполнительного механизма, датчика или источника питания.