Акустична левитација течних робота са оклопом од честица

Течни робот са оклопом од честица је мека машина коју покреће поље, а не минијатурни крути робот. Његово течно тело може да мења облик, тече око препрека, обухвати компатибилан предмет и споји се са суседним роботом, док површински слој честица спречава да течност кваси околину. У студији објављеној 2025. године у часопису Science Advances, у којој је представљен течни робот са оклопом од честица, скраћено PB, коришћен је ултразвучни претварач Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) са сонотродом од 22 mm за деловање силом акустичног зрачења са растојања. Та сила је гурала и котрљала PB по уобичајеним подлогама; претварач је за задатке навигације био нагнут под углом од 10 степени, а за спајање је био усмерен вертикално.

Од акустичног погона до акустичног лебдења

Права акустична левитација мења гранични услов. Уместо коришћења прогресивног таласа за савладавање отпора котрљању, сонотрода и рефлектор постављени једно наспрам другог стварају стојеће поље притиска које држи робота супротстављајући се гравитацији. Уклањање подлоге елиминише контакт са чврстом површином, али уклања и трење које је помагало да се акустична сила претвори у котрљање. Практична машина зато мора да има две функције: вертикалну замку за подизање и независно управљив градијент или прогресивни талас за транслационо кретање. Резултат је најбоље посматрати као хибридну акустичну радну ћелију са режимима левитације, усмеравања, спајања и пристајања.

Принцип рада акустичне левитације

Акустична левитација користи силе акустичног зрачења да би држала предмет у лебдећем стању без механичког контакта. У типичном ултразвучном левитатору, сонотрода емитује звук високе фреквенције према рефлектору постављеном наспрам ње. Упадни и одбијени таласи интерферирају и формирају стојећи талас са наизменичним чворовима и трбусима притиска. На течног робота са оклопом од честица, постављеног близу стабилног чвора, делује временски усредњена акустична сила која се супротставља гравитацији, док га градијенти притиска враћају након малих померања и задржавају у замци. Размак између сонотроде и рефлектора, акустична фреквенција и амплитуда вибрација морају бити подешени према величини, маси и облику робота. Додатни акустични концентратори или контролисано померање акустичног поља могу омогућити бочно усмеравање, ротацију и пристајање. За разлику од акустичне кавитације, која обухвата раст и колапс мехурића унутар течности, акустична левитација се првенствено ослања на притисак зрачења који се преноси кроз околни ваздух. Ипак, треба избегавати прекомеран звучни притисак јер може да деформише течно језгро, одвоји честице оклопа или дестабилизује робота.

Левитација као механизам подизања

У левитатору код којег се акустична енергија преноси кроз ваздух, жељена сила је временски усредњена сила акустичног зрачења која настаје расејањем и апсорпцијом звучног поља. Рефлектор одбија упадни талас назад према акустичном концентратору, а два таласа интерферирају и стварају чворове и трбухе. Предмет велике густине и милиметарских димензија у ваздуху може бити заробљен близу стабилног чвора притиска када сила зрачења усмерена навише уравнотежи његову тежину, а градијент силе га враћа након малих померања. Кавитација се, насупрот томе, јавља унутар течности када циклуси негативног притиска покрећу мехуриће. Ове две појаве могу постојати истовремено само ако у капљицу уђе довољно акустичне енергије, али их не треба поистовећивати.

Шта су течни роботи са оклопом од честица?

Конвенционалне течне куглице су капљице обложене хидрофобним прахом. Капиларне силе задржавају честице на граници течности и гаса, а прераспоређивање честица даје површини механички одзив налик одзиву љуске. Концепт PB ојачава ту структуру знатно већом количином честица по јединици запремине течности. У описаном поступку израде, ледени прекурсор у облику квадра обложен је љуспичастим честицама PTFE са просечним пречником у базалној равни од 34 микрометра. Када се лед отопио и запремина му се смањила, честице су се међусобно заглавиле у густом, равномерно распоређеном слоју око издуженог воденог језгра.
За испитиване геометрије, PB роботи су носили око 59% већу масу честица од конвенционалних течних куглица, уз пријављени коефицијент паковања од 0,983 уместо 0,956. При запремини течности од 75 кубних милиметара, однос дужине и ширине близу 1,55 дао је највећу измерену отпорност на сабијање; максимална сила сабијања била је 252% већа него код течне куглице коришћене за поређење. Превише витак облик ослабио је бочне стране, па више оклопа и већа издуженост не значе аутоматски и боље перформансе.
Та резерва покретљивих површинских честица омогућава PB роботу да издржи пролазна повећања међуфазне површине. Описани роботи су се провлачили кроз низове хидрофилних стубића, обухватали и уносили у себе хидрофилне стаклене куглице, спајали се под вертикалним акустичким оптерећењем, клизили по површини воде, преносили реагенсе и испуштали свој садржај када би површински активна супстанца разбила оклоп. Реч робот овде описује материју којом се управља споља и која је способна да обавља задатке; PB нема уграђени актуатор, сензор нити извор напајања.