Akustična levitacija za tekoče robote, ojačene s delci

Robot s tekočinskim telesom, ojačanim s delci, je mehka naprava, ki jo poganja polje, in ne miniaturni tog robot. Njegovo tekoče telo lahko spreminja obliko, teče okoli ovir, obda združljiv predmet in se združi s sosedom, medtem ko koža iz delcev preprečuje, da bi tekočina omočila okolico. Študija iz revije »Science Advances« iz leta 2025, v kateri je bil predstavljen tekoči robot z oklepom iz delcev (Particle-armored liquid roBot ali PB), je za izvajanje akustične sevalne sile na daljavo uporabila ultrazvočni pretvornik Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) s sonotrodo premera 22 mm. Sila je potiskala in valila PB po običajnih podlagah; pretvornik je bil za navigacijske naloge nagnjen za 10 stopinj, za združevanje pa usmerjen navpično.

Od akustičnega pogona do akustične vzmetenja

Prava akustična levitacija spreminja mejni pogoj. Namesto da bi za premagovanje kotalnega upora uporabili progresivni val, nasprotni par sonotrode in reflektorja ustvarja stoječe tlačno polje, ki robota podpira proti gravitaciji. Odstranitev tal odpravi stik s trdno podlago, hkrati pa tudi trenje, ki je pomagalo pretvoriti akustično silo v kotalno gibanje. Praktični stroj zato potrebuje dve funkciji: navpično zadrževalno napravo za dvig in neodvisno krmiljen gradient ali progresivni val za premikanje. Rezultat je najbolje razumeti kot hibridno akustično delovno celico z načini lebdenja, krmiljenja, združevanja in priveza.

Načelo delovanja akustične levitacije

Akustična levitacija izkorišča sile akustičnega sevanja za lebdenje predmeta brez mehanskega stika. V tipičnem ultrazvočnem levitatorju sonotroda oddaja visokofrekvenčni zvok proti nasprotnemu reflektorju. Padajoči in odbitni valovi se prepletajo in tvorijo stoječi val, ki vsebuje izmenične tlakovne vozle in protivozle. Robot iz tekočine, ojačan s delci, ki je nameščen v bližini stabilnega vozla, je izpostavljen časovno povprečeni akustični sili, ki deluje proti gravitaciji, medtem ko tlačni gradienti povzročajo majhna premikanja in robota zadržujejo na mestu. Razdaljo med reflektorji, akustično frekvenco in amplitudo vibracij je treba prilagoditi velikosti, masi in obliki robota. Dodatni rogi ali nadzorovano gibanje akustičnega polja lahko omogočajo stransko krmiljenje, vrtenje in privezovanje. Za razliko od akustične kavitacije, pri kateri pride do nastajanja in razpadanja mehurčkov znotraj tekočine, akustična levitacija temelji predvsem na sevalnem tlaku, ki se prenaša skozi okoliški zrak. Vseeno se je treba izogibati prekomernemu zvočnemu tlaku, saj lahko deformira tekoče jedro, odtrga delce oklepa ali destabilizira robota.

Levitacija kot mehanizem dviganja

V levitatorju z zračnim prenosom je želeno delovanje časovno povprečena akustična sevalna sila, ki nastane z razprševanjem in absorpcijo zvočnega polja. Reflektor odbijajoč val usmerja nazaj proti rogu, pri čemer se oba valova prekrivata in ustvarjata vozlišča ter protivozlišča. Gost milimetrski predmet v zraku se lahko zadrži v bližini stabilnega tlačnega vozla, ko navzgor usmerjena sevalna sila uravnava njegovo težo, gradient sile pa povzroča majhna premikanja. Kavitacija pa se pojavi v tekočini, ko cikli negativnega tlaka povzročajo nastajanje mehurčkov. Oba pojava lahko sobivata le, če v kapljico vstopi dovolj akustične energije, vendar ju ne smemo zamenjevati.

Kaj so tekoči roboti z oklepom iz delcev?

Običajne tekoče kroglice so kapljice, prekrite s hidrofobnim prahom. Kapilarne sile zadržujejo delce na mejni ploskvi med tekočino in plinom, preureditev delcev pa površini daje odziv, podoben lupini. Koncept PB okrepi to arhitekturo z vgradnjo bistveno večjega števila delcev na enoto prostornine tekočine. V opisani metodi izdelave je bil kvadratast predhodnik iz ledu prevlečen z luskastimi delci PTFE s povprečnim premerom bazalne ravnine 34 mikrometrov. Ko se je led stopil in skrčil, so se delci stisnili v gosto, enakomerno porazdeljeno plast okoli podolgovatega jedra iz vode.
Pri preučevanih geometrijah so PB-ji nosili približno 59 % več mase delcev kot običajne tekoče kroglice, pri čemer je bilo poročano razmerje zgoščevanja 0,983 namesto 0,956. Pri prostornini tekočine 75 kubičnih milimetrov je razmerje med dolžino in širino blizu 1,55 zagotovilo najvišjo izmerjeno odpornost proti stiskanju; njegova največja stiskalna sila je bila za 252 % večja od tiste pri primerjalni tekoči kroglici. Preveč vitka oblika je oslabila stranice, zato večja zaščita in večja raztegljivost nista avtomatično boljši.
Ta zaloga mobilnih površinskih delcev omogoča PB, da preživi kratkotrajna povečanja medfazne površine. Opisani roboti so se stisnili skozi nize hidrofilnih stebrov, pogoltnili hidrofilne steklene kroglice, se združili pod vplivom vertikalne akustične obremenitve, drseli po vodi, prevažali reagente in izpraznili svojo vsebino, ko je površinsko aktivna snov razbila njihov oklep. Beseda »robot« tukaj opisuje zunanje krmiljeno snov, sposobno opravljati naloge; PB nima vgrajenega pogonskega mehanizma, senzorja ali vira energije.