Акустическая левитация для жидкостных роботов с броней из частиц

Жидкостный робот с частичной броней представляет собой мягкую машину с полевым приводом, а не миниатюрный жесткий робот. Его жидкое тело способно менять форму, обтекать препятствия, поглощать совместимые объекты и сливаться с соседними объектами, в то время как оболочка из частиц предотвращает смачивание окружающей среды жидкостью. В исследовании, опубликованном в журнале «Science Advances» в 2025 году, в котором был представлен жидкостный робот с частичной броней (Particle-armored liquid roBot, или PB), использовался ультразвуковой преобразователь Hielscher UP400S (400 Вт, 24 кГц) с сонотродом диаметром 22 мм для воздействия акустической радиационной силой на расстоянии. Эта сила толкала и перемещала PB по обычным поверхностям; для навигационных задач преобразователь был наклонен на 10 градусов, а для слияния — ориентирован вертикально.

От акустической тяги к акустической подвеске

Настоящая акустическая левитация изменяет граничные условия. Вместо использования прогрессирующей волны для преодоления сопротивления качению противоположно расположенная пара сонотрода и отражателя создает поле стоячей волны, которое удерживает робота, противодействуя силе тяжести. Удаление пола устраняет контакт с твердой поверхностью, но при этом также устраняет трение, которое помогало преобразовывать акустическую силу в движение качения. Поэтому практическая машина нуждается в двух функциях: вертикальной «ловушке» для подъёма и независимо управляемом градиенте или прогрессирующей волне для поступательного движения. Результат лучше всего рассматривать как гибридную акустическую рабочую ячейку с режимами левитации, управления, слияния и стыковки.

Принцип действия акустической левитации

Акустическая левитация использует силы акустического излучения для подвешивания объекта без механического контакта. В типичном ультразвуковом левитаторе сонотрод излучает высокочастотный звук в направлении расположенного напротив отражателя. Падающие и отраженные волны интерферируют, образуя стоячую волну, содержащую чередующиеся узлы и антиузлы давления. Робот с жидким корпусом, бронированным частицами, расположенный вблизи стабильного узла, испытывает усредненную по времени акустическую силу, противодействующую силе тяжести, в то время как градиенты давления восстанавливают небольшие смещения и удерживают робота в запертом состоянии. Расстояние между отражателями, акустическая частота и амплитуда колебаний должны быть подобраны с учетом размера, массы и формы робота. Дополнительные рупоры или управляемое изменение акустического поля могут обеспечивать поперечное управление, вращение и стыковку. В отличие от акустической кавитации, которая связана с образованием и разрушением пузырьков внутри жидкости, акустическая левитация в основном основана на давлении излучения, передаваемом через окружающий воздух. Тем не менее следует избегать чрезмерного звукового давления, поскольку оно может деформировать жидкое ядро, выбить частицы брони или дестабилизировать робота.

Левитация как механизм подъема

В левитаторе с воздушной связью нужной силой является усреднённая по времени акустическая сила излучения, создаваемая рассеянием и поглощением звукового поля. Отражатель направляет падающую волну обратно к рупору, и две волны интерферируют, образуя узлы и антиузлы. Плотный миллиметровый объект в воздухе может быть удерживаем вблизи стабильного узла давления, когда направленная вверх сила излучения уравновешивает его вес, а градиент силы восстанавливает небольшие смещения. Кавитация, напротив, возникает внутри жидкости, когда циклы отрицательного давления приводят к образованию пузырьков. Эти два явления могут сосуществовать только в том случае, если в каплю поступает достаточное количество акустической энергии, однако их не следует смешивать.

Что такое жидкостные роботы с частичной броней?

Обычные жидкие шарики представляют собой капли, покрытые гидрофобным порошком. Капиллярные силы удерживают частицы на границе раздела жидкость-газ, а перегруппировка частиц придает поверхности оболочкообразную структуру. Концепция PB усиливает эту архитектуру за счет размещения значительно большего количества частиц на единицу объёма жидкости. В описанном способе изготовления кубовидный ледяной прекурсор покрывали чешуйчатыми частицами ПТФЭ со средним диаметром основания 34 микрометра. Когда лед таял и сжимался, частицы уплотнялись, образуя плотный, равномерно распределенный слой вокруг вытянутого водяного ядра.
Для исследованных геометрических форм PB-шарики несли примерно на 59 % больше массы частиц, чем обычные жидкие мраморные шарики, при этом коэффициент уплотнения составил 0,983 вместо 0,956. При объёме жидкости 75 кубических миллиметров соотношение сторон, близкое к 1,55, обеспечивало наибольшее измеренное сопротивление сжатию; максимальное усилие сжатия в этом случае было на 252 % выше, чем у сравниваемого жидкого шарика. Слишком удлинённая форма ослабляла боковые стенки, поэтому большее количество «брони» и большая удлиненность не всегда являются лучшим решением.
Именно этот запас подвижных поверхностных частиц позволяет PB выдерживать кратковременное увеличение площади межфазного контакта. Согласно опубликованным данным, роботы проскальзывали сквозь массивы гидрофильных столбиков, поглощали гидрофильные стеклянные шарики, сливался воедино под воздействием вертикальной акустической нагрузки, скользили по воде, транспортировали реагенты и выбрасывали своё содержимое, когда поверхностно-активное вещество разрушало их оболочку. Термин «робот» в данном случае обозначает подвергающуюся внешнему управлению материю, способную выполнять задачи; PB не имеет встроенных приводов, датчиков или источника питания.