Akustična levitacija tekočinskih robotov z oklepom iz delcev

Tekočinski robot z oklepom iz delcev je mehka naprava, ki jo poganja polje, in ne miniaturni togi robot. Njegovo tekočinsko telo lahko spreminja obliko, teče okoli ovir, zajame združljiv predmet in se združi s sosednjim robotom, medtem ko površinska plast delcev preprečuje, da bi tekočina omočenila okolico. Študija iz leta 2025, objavljena v reviji Science Advances, ki je predstavila tekočinski robot z oklepom iz delcev oziroma PB, je uporabila ultrazvočni pretvornik Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) z 22 mm sonotrodo za delovanje z akustično sevalno silo na daljavo. Sila je PB potiskala in kotalila po običajnih podlagah; pretvornik je bil pri nalogah usmerjanja nagnjen za 10 stopinj, pri združevanju pa usmerjen navpično.

Od akustičnega pogona do akustičnega lebdenja

Prava akustična levitacija spremeni robni pogoj. Namesto uporabe potujočega vala za premagovanje kotalnega upora par medsebojno nasproti postavljenih sonotrode in reflektorja ustvarja stoječe tlačno polje, ki podpira robota proti sili teže. Odstranitev tal odpravi stik s trdno površino, vendar hkrati odpravi trenje, ki je pomagalo pretvoriti akustično silo v kotaljenje. Praktična naprava zato potrebuje dve funkciji: navpično past za dvigovanje in neodvisno krmiljen gradient ali potujoči val za translacijsko gibanje. Rezultat je najbolje obravnavati kot hibridno akustično delovno celico z načini levitacije, usmerjanja, združevanja in pristajanja.

Načelo delovanja akustične levitacije

Akustična levitacija uporablja akustične sevalne sile za vzdrževanje lebdenja predmeta brez mehanskega stika. V običajnem ultrazvočnem levitatorju sonotroda oddaja visokofrekvenčni zvok proti nasproti postavljenemu reflektorju. Vpadni in odbiti valovi interferirajo ter tvorijo stoječi val z izmenjujočimi se tlačnimi vozli in hrbti. Na tekočinski robot z oklepom iz delcev, postavljen v bližino stabilnega vozla, deluje časovno povprečena akustična sila, ki nasprotuje sili teže, tlačni gradienti pa izravnavajo majhne odmike in ohranjajo robota ujetega v pasti. Razdaljo do reflektorja, akustično frekvenco in amplitudo nihanja je treba prilagoditi velikosti, masi in obliki robota. Dodatne sonotrode ali nadzorovano premikanje akustičnega polja lahko omogočajo bočno usmerjanje, vrtenje in pristajanje. Za razliko od akustične kavitacije, pri kateri mehurčki v tekočini rastejo in se sesedajo, akustična levitacija temelji predvsem na sevalnem tlaku, ki se prenaša skozi okoliški zrak. Kljub temu se je treba izogibati prekomernemu zvočnemu tlaku, saj lahko deformira tekočinsko jedro, odstrani delce oklepa ali destabilizira robota.

Levitacija kot mehanizem dvigovanja

V levitatorju, ki akustično energijo prenaša skozi zrak, je želena sila časovno povprečena akustična sevalna sila, ki nastane zaradi sipanja in absorpcije zvočnega polja. Reflektor odbije vpadni val nazaj proti sonotrodi, oba valova pa interferirata in ustvarita vozle ter hrbte. Gost predmet milimetrske velikosti v zraku se lahko ujame v bližini stabilnega tlačnega vozla, ko navzgor usmerjena sevalna sila uravnoteži njegovo težo in gradient sile izravnava majhne odmike. Kavitacija pa nastane v tekočini, ko cikli negativnega tlaka vzbudijo mehurčke. Pojava lahko soobstajata samo, če v kapljico vstopi dovolj akustične energije, vendar ju ne smemo enačiti.

Kaj so tekočinski roboti z oklepom iz delcev?

Običajne tekočinske kroglice so kapljice, prevlečene s hidrofobnim prahom. Kapilarne sile zadržujejo delce na mejni površini med tekočino in plinom, prerazporejanje delcev pa daje površini odziv, podoben odzivu lupine. Koncept PB to strukturo okrepi z vključitvijo bistveno več delcev na enoto prostornine tekočine. Pri opisanem postopku izdelave so ledeni predhodnik v obliki kvadra prevlekli s ploščicastimi delci PTFE s povprečnim premerom v bazalni ravnini 34 mikrometrov. Ko se je led stalil in skrčil, so se delci zagozdili v gosto, enakomerno porazdeljeno plast okoli podolgovatega vodnega jedra.
Pri preučevanih geometrijah so PB vsebovali približno 59% večjo maso delcev kot običajne tekočinske kroglice, z navedenim deležem zapolnitve 0,983 namesto 0,956. Pri prostornini tekočine 75 kubičnih milimetrov je razmerje med dolžino in širino blizu 1,55 zagotavljalo največjo izmerjeno odpornost proti stiskanju; njegova največja tlačna sila je bila za 252% večja od tlačne sile primerjalne tekočinske kroglice. Preveč vitka oblika je oslabila stranice, zato več oklepa in večja podolgovatost nista samodejno boljša.
Ta zaloga premičnih površinskih delcev omogoča PB, da prenese prehodna povečanja medfazne površine. Opisani roboti so se stisnili skozi nize hidrofilnih stebričkov, zajeli hidrofilne steklene kroglice, se združili pod navpično akustično obremenitvijo, drseli po vodni površini, prenašali reagente in izpraznili svojo vsebino, ko je površinsko aktivna snov razlomila oklep. Beseda robot tu opisuje od zunaj krmiljeno snov, ki je sposobna opravljati naloge; PB nima vgrajenega aktuatorja, senzorja ali vira energije.