Акустична левітація для рідинних роботів, захищених частинками

Рідинний робот із частинковою бронею — це м’яка машина, що приводиться в дію зовнішнім полем, а не мініатюрний жорсткий робот. Його рідинне тіло може змінювати форму, обтікати перешкоди, охоплювати сумісний об’єкт і зливатися з сусіднім, тоді як частинкова оболонка запобігає змочуванню навколишнього середовища рідиною. У дослідженні, опублікованому в журналі «Science Advances» у 2025 році, в якому було представлено рідкого робота з частинковим панциром (Particle-armored liquid roBot, або PB), використовувався ультразвуковий перетворювач Hielscher UP400S (400 Вт, 24 кГц) із сонотродом діаметром 22 мм для створення акустичної радіаційної сили на відстані. Ця сила штовхала та котила PB по звичайних поверхнях; для завдань навігації перетворювач був нахилений на 10 градусів, а для злиття — орієнтований вертикально.

Від акустичного приводу до акустичної підвіски

Справжня акустична левітація змінює граничні умови. Замість використання прогресивної хвилі для подолання опору кочення, протилежна пара сонотрода-рефлектора створює стояче поле тиску, яке підтримує робота, протидіючи силі тяжіння. Усунення підлоги виключає контакт з твердою поверхнею, але водночас усуває тертя, яке допомагало перетворювати акустичну силу на рух кочення. Отже, практична машина потребує двох функцій: вертикальної пастки для підйому та незалежно керованого градієнта або прогресивної хвилі для поступального руху. Результат найкраще розглядати як гібридну акустичну робочу комірку з режимами левітації, керування, злиття та стикування.

Принцип дії акустичної левітації

Акустична левітація використовує сили акустичного випромінювання для утримання об’єкта в підвішеному стані без механічного контакту. У типовому ультразвуковому левітаторі сонотрод випромінює високочастотний звук у напрямку протилежного відбивача. Падаючі та відбиті хвилі інтерферують, утворюючи стоячу хвилю, що містить чергування вузлів і розвузлів тиску. Рідинний робот із корпусом з частинок, розміщений поблизу стабільного вузла, відчуває усереднену за часом акустичну силу, що протидіє гравітації, тоді як градієнти тиску відновлюють невеликі зміщення та утримують робота в цьому місці. Відстань між відбивачами, акустична частота та амплітуда вібрації повинні бути налаштовані відповідно до розміру, маси та форми робота. Додаткові рупори або керований рух акустичного поля можуть забезпечувати поперечне керування, обертання та стикування. На відміну від акустичної кавітації, яка передбачає утворення та руйнування бульбашок усередині рідини, акустична левітація ґрунтується переважно на тиску випромінювання, що передається через навколишнє повітря. Проте слід уникати надмірного звукового тиску, оскільки він може деформувати рідке ядро, відривати частинки броні або дестабілізувати робота.

Левітація як механізм підйому

У левітаторі з повітряним з’єднанням бажаною силою є усереднена за часом акустична сила випромінювання, що створюється розсіюванням та поглинанням звукового поля. Відбивач направляє падаючу хвилю назад до рупора, і ці дві хвилі інтерферують, утворюючи вузли та антивузли. Щільний об’єкт міліметрового розміру в повітрі може бути утримуваний поблизу стабільного вузла тиску, коли сила випромінювання, спрямована вгору, врівноважує його вагу, а градієнт сили відновлює невеликі зміщення. На відміну від цього, кавітація відбувається всередині рідини, коли цикли негативного тиску утворюють бульбашки. Ці два явища можуть співіснувати лише за умови, що в краплю надходить достатня кількість акустичної енергії, але їх не слід плутати.

Що таке рідинні роботи з бронею з частинок?

Звичайні рідкі кульки — це краплі, вкриті гідрофобним порошком. Капілярні сили утримують частинки на межі розділу «рідина-газ», а перегрупування частинок надає поверхні властивості, схожі на оболонку. Концепція PB посилює цю архітектуру за рахунок розміщення значно більшої кількості частинок на одиницю об’єму рідини. У описаному способі виготовлення кубоподібний попередник льоду було покрито пластівчастими частинками ПТФЕ із середнім діаметром основи 34 мікрометри. Коли лід розтанув і стиснувся, частинки ущільнилися, утворивши щільний, рівномірно розподілений шар навколо видовженого водяного ядра.
Для досліджуваних геометрій PB містили приблизно на 59 % більше маси частинок, ніж звичайні рідкі кульки, при цьому коефіцієнт ущільнення становив 0,983 замість 0,956. При об’ємі рідини 75 кубічних міліметрів коефіцієнт форми близько 1,55 забезпечив найвищу виміряну стійкість до стиснення; максимальне зусилля стиснення було на 252 % більшим, ніж у порівняльного рідкого кульки. Занадто видовжена форма послаблювала бокові стінки, тому більша міцність і більша подовжуваність не завжди є кращими.
Цей запас рухомих поверхневих частинок дозволяє PB витримувати тимчасове збільшення площі міжфазної поверхні. Зафіксовано, що роботи протискалися крізь масиви гідрофільних стовпчиків, поглинали гідрофільні скляні кульки, зливалися під дією вертикального акустичного навантаження, ковзали по поверхні води, транспортували реагенти та випускали їхній вміст, коли поверхнево-активна речовина руйнувала їхню оболонку. Термін «робот» тут описує зовнішньо керовану матерію, здатну виконувати завдання; PB не має вбудованих приводів, датчиків чи джерел живлення.