Акустична левітація для рідких роботів із частинковим захистом
Рідкий робот із частинковим захистом – це м’яка машина з польовим приводом, а не мініатюрний жорсткий робот. Його рідке тіло може змінювати форму, обтікати перешкоди, захоплювати сумісний об’єкт і зливатися з сусідом, тоді як частинкова оболонка запобігає змочуванню рідиною навколишнього середовища. У дослідженні 2025 року в журналі Science Advances, де було представлено Particle-armored liquid roBot, або PB, використовувався ультразвуковий перетворювач Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) із 22 mm сонотродом для створення сили акустичного випромінювання на відстані. Ця сила штовхала і котила PB по звичайних підкладках; для навігаційних завдань перетворювач нахиляли на 10 градусів, а для зливання орієнтували вертикально.
Від акустичного рушія до акустичної левітації
Справжня акустична левітація змінює граничні умови. Замість використання біжучої хвилі для подолання опору коченню, протилежна пара «сонотрод–відбивач» створює стояче поле тиску, яке підтримує робота проти сили тяжіння. Видалення опори усуває твердий контакт, але також прибирає тертя, яке допомагало перетворювати акустичну силу на рух кочення. Тому практична машина потребує двох функцій: вертикальної пастки для підйому та незалежно керованого градієнта або біжучої хвилі для переміщення. Найкраще розглядати результат як гібридну акустичну робочу комірку з режимами левітації, керування, зливання та стикування.
Дізнайтеся, як точно контрольована ультразвукова система Hielscher може забезпечити безконтактну левітацію рідких роботів із частинковим захистом. Зверніться до наших фахівців з ультразвуку для тестування вашої концепції.
Акустичний левітатор UP400St (400W, 24kHz), що утримує частинку в підвішеному стані в повітрі
Принцип дії акустичної левітації
Акустична левітація використовує сили акустичного випромінювання для підвішування об’єкта без механічного контакту. У типовому ультразвуковому левітаторі сонотрод випромінює високочастотний звук у напрямку протилежного відбивача. Падаючі та відбиті хвилі інтерферують, утворюючи стоячу хвилю з чергуванням вузлів і пучностей тиску. Рідкий робот із частинковим захистом, розміщений біля стабільного вузла, зазнає усередненої за часом акустичної сили, яка протидіє силі тяжіння, тоді як градієнти тиску відновлюють малі зміщення та утримують робота в пастці. Відстань до відбивача, акустична частота та амплітуда коливань мають бути налаштовані відповідно до розміру, маси та форми робота. Додаткові рупори або контрольований рух акустичного поля можуть забезпечити бічне керування, обертання та стикування. На відміну від акустичної кавітації, яка включає ріст і колапс бульбашок всередині рідини, акустична левітація переважно покладається на тиск випромінювання, що передається через навколишнє повітря. Однак слід уникати надмірного звукового тиску, оскільки він може деформувати рідке ядро, змістити частинки захисту або дестабілізувати робота.
Левітація як механізм підйому
У повітряно-зв’язаному левітаторі бажаною силою є усереднена за часом сила акустичного випромінювання, створена розсіюванням і поглинанням звукового поля. Відбивач повертає падаючу хвилю назад до рупора, і дві хвилі інтерферують, створюючи вузли та пучності. Щільний міліметровий об’єкт у повітрі може бути захоплений біля стабільного вузла тиску, коли висхідна сила випромінювання врівноважує його вагу, а градієнт сили відновлює малі зміщення. Кавітація, навпаки, виникає всередині рідини, коли цикли негативного тиску приводять у дію бульбашки. Ці два явища можуть співіснувати лише за умови, що достатньо акустичної енергії потрапляє в краплю, але їх не слід ототожнювати.
Акустична левітація малої жорсткої сфери у вузлі тиску площинної стоячої хвилі, встановленої між перетворювачем/левітатором і відбивачем.
(дослідження та зображення: © Andrade et al. 2018)
Що таке рідкі роботи з частинковим захистом?
Звичайні рідкі мармурові краплі – це краплі, вкриті гідрофобним порошком. Капілярні сили утримують частинки на межі рідина–газ, а перерозподіл частинок надає поверхні реакції, подібної до оболонки. Концепція PB (particle-armored liquid robot) зміцнює цю архітектуру, завантажуючи значно більше частинок на одиницю об’єму рідини. У задокументованому маршруті виготовлення кубічний крижаний прекурсор був вкритий пластинчастими частинками PTFE з середнім діаметром базової площини 34 мікрометри. Коли лід розтанув і стиснувся, частинки заклинили у щільний, рівномірно розподілений шар навколо видовженого водяного ядра.
Для досліджуваних геометрій PB несли приблизно на 59% більше маси частинок, ніж звичайні рідкі мармурові краплі, зі задокументованим коефіцієнтом упаковки 0,983, а не 0,956. При об’ємі рідини 75 кубічних міліметрів відношення осей близько 1,55 забезпечило найвищу виміряну опірність стисненню; його максимальна сила стиснення була на 252% більшою, ніж у порівнюваної рідкої мармурової краплі. Надто витягнута форма послаблювала бокові сторони, тому більше броні та більше видовження не є автоматично кращими.
Цей резерв рухомих поверхневих частинок дозволяє PB витримувати тимчасові збільшення міжфазної площі. Задокументовані роботи проходили крізь масиви гідрофільних стовпчиків, поглинали гідрофільні скляні кульки, зливалися під дією вертикального акустичного навантаження, ковзали по воді, транспортували реагенти та вивільняли свій вміст, коли поверхнево-активна речовина руйнувала броню. Слово «робот» тут описує матерію, керовану ззовні, здатну виконувати завдання; PB не має бортового приводу, сенсора чи джерела живлення.
Рідкий робот із частинковою бронею
Дослідження та зображення: ©Jeon et al., 2025
Акустичний левітатор UP400St потужністю 400 ватів утримує малу частинку в стані левітації у стабільному вузлі тиску, демонструючи точне акустичне позиціонування без контакту з поверхнею.
Чому акустична левітація корисна для рідких роботів
Вона усуває найбільш проблемний механічний інтерфейс
Переміщення по поверхні піддає рідкого робота тертю, шорсткості, адгезії, забрудненню та непередбачуваному змочуванню. Левітація замінює цей контакт програмованим полем. Це може зберегти делікатну частинкову оболонку, запобігти втраті високоочищеного вантажу та дозволити роботу проходити над прогалинами або поверхнями, які б закріпили краплю води. Це також робить метод сумісним з електрично нейтральними та немагнітними вантажами, тому броня не потребує завантаження добавками, що реагують на поле.
Вона створює безконтейнерний мікрореактор
Підвішений PB є одночасно мобільною упаковкою та малою реакційною посудиною. Кілька пасток можуть утримувати реагенти окремо; контрольований рух потім може звести роботи в контакт для ініціації коалесценції. Дослідження акустичної левітації на звичайних рідких мармурових краплях уже продемонстрували контрольоване відкривання оболонки, коалесценцію та тригерну індикаторну реакцію. Міцніша оболонка PB повинна розширити вікно придатного маніпулювання, хоча ця конкретна перевага ще має бути виміряна в повітрі.
Вона забезпечує нові режими вимірювання та перенесення
За умови акустичної підтримки гравітації камери можуть вимірювати вільну деформацію, вигин оболонки, обертання та випаровування без контактної ділянки. Апарат може передавати PB між трьома робочими середовищами: левітувати для чистого транспортування, причалювати до поверхні для проникнення або забору вантажу та повертатися в пастку для реакції чи інспекції. Ця гібридна послідовність зберігає найсильніші поверхневі поведінки статті, додаючи безконтактний шар перенесення.
Левітація не є автоматично м’якшою. Високий звуковий тиск може сплющити краплю, спричинити внутрішню циркуляцію, нагріти рідину, зішкрябати частинки або атомізувати інтерфейс. Придатне робоче вікно лежить між мінімальним тиском, необхідним для захоплення PB, і першою ознакою незворотного перерозподілу оболонки. Це вікно має бути картографоване для кожної комбінації об’єму, відношення осей, рідини ядра та матеріалу броні.
Акустичний левітатор UP100H підвішує краплю рідини у стоячому ультразвуковому полі для безконтактного оброблення.
Переваги ультразвукових левітаторів Hielscher
Пряма експериментальна лінія
Скористайтеся встановленими початковими точками, опублікованими Jeon та колегами (2025). Дослідження PB використовувало Hielscher UP400S на 24 kHz та 400 W із 22 mm сонотродом. Перехід на цифрову модель UP400St зберігає той самий номінальний клас потужності та частоти, додаючи сучасне керування, програмовані налаштування та реєстрацію даних. Це зменшує невизначеність у каналі керування прогресивною хвилею, навіть якщо резонаторна камера стоячої хвилі залишається новою підсистемою.
Висока амплітуда з практичною регульованістю
Сонікатор UP400St надійно левітує тверді та рідкі частинки. Сонотрод може досягати 118 мікрометрів зміщення при налаштуванні 100%. UP400St забезпечує регулювання амплітуди від 20 до 100%, програмовану інтервальну роботу, автоматичне налаштування частоти та вибір сонотродів, включаючи 22 mm титанову модель, використану в дослідженні Jeon et al., 2025. Ця комбінація підтримує картування порогів, плавні наростання та повторювані імпульси, а не єдину точку роботи ввімкнено/вимкнено.
Прилади та автоматизація
UP400St записує амплітуду, потужність, час та температуру на SD-картку і може відстежуватися або керуватися через браузерний інтерфейс. Ці функції є надзвичайно корисними для дослідницького левітатора, оскільки акустична стабільність чутлива до термічного дрейфу, геометрії та навантаження. Записані налаштування можна синхронізувати з позицією та деформацією, отриманими за допомогою камери, щоб створити відтворювану карту роботи.
Шлях від лабораторного стенда до надійної установки
Левітатори Hielscher можна встановлювати окремо або паралельно; додатково на замовлення доступні індивідуальні левітатори. UIP500hdT розділяє генератор і перетворювач і використовує перетворювач із рейтингом IP64, що є привабливим, коли корпус повинен витримувати вологу або випадкове руйнування робота. Це твердження виробника, і їх слід перевірити щодо точної цитованої конфігурації.
Для акустичної левітації Hielscher пропонує три стандартні типи левітаторів:
Підніміть своїх рідких роботів надійно за допомогою левітації!
Часто задавані питання про акустичну левітацію та рідких роботів
Що таке акустична левітація?
Акустична левітація – це безконтактний метод підвішування та позиціонування об’єкта за допомогою звуку. Ультразвуковий випромінювач і відбивач створюють стоячу хвилю тиску, і результуюча сила акустичного випромінювання може врівноважити гравітацію та утримувати об’єкт біля стабільного вузла тиску.
Дізнайтеся більше про акустичну левітацію та її застосування!
Як працює ультразвуковий левітатор?
Ультразвуковий левітатор спрямовує високочастотний звук від сонотрода до протилежного відбивача. Падаючі та відбиті хвилі інтерферують, утворюючи вузли та пучності. Коли акустичний тиск, відстань до відбивача та положення об’єкта правильно налаштовані, частинка або крапля може бути захоплена у стабільному вузлі.
Що таке рідкий робот із частинковою бронею?
Рідкий робот із частинковою бронею – це деформоване рідке тіло, оточене щільно упакованою оболонкою гідрофобних частинок. Ця броня обмежує змочування та допомагає роботу зберігати свій вміст, коли він рухається, змінює форму, зливається з іншими краплями або транспортує невеликі вантажі.
Чим рідкий робот із частинковою бронею відрізняється від рідкої мармурової краплі?
Обидві системи складаються з рідини, оточеної гідрофобними частинками. Однак рідкий робот із частинковою бронею має особливо щільну, механічно стійку оболонку частинок, розроблену для підтримки контрольованого руху та функціональних завдань. Додаткові поверхневі частинки також дозволяють броні перебудовуватися, коли рідке тіло деформується.
Чи можуть сонікатори Hielscher левітувати рідких роботів із частинковою бронею?
Устаткування Hielscher для ультразвукової обробки можна налаштувати для акустичної левітації у стоячих хвилях, і Hielscher UP400S вже використовувався для активації рідких роботів, броньованих частинками, на твердих поверхнях. Пряма левітація цих конкретних роботів у повітрі залишається інженерною концепцією, яку необхідно експериментально перевірити щодо стабільності пастки, нагрівання, деформації та втрати частинок.
Який сонікатор Hielscher підходить для досліджень акустичної левітації?
Hielscher UP400St із номінальною потужністю 400 ватів і частотою 24 кілогерци є логічною відправною точкою для лабораторних розробок, оскільки забезпечує регулювання амплітуди, імпульсний режим роботи, автоматичне налаштування частоти та реєстрацію даних процесу. Вибір відповідного сонікатора, сонотрода та геометрії відбивача зрештою залежить від розмірів, маси, форми робота та необхідних режимів роботи.
У чому різниця між акустичною левітацією та акустичною кавітацією?
Акустична левітація покладається переважно на тиск випромінювання в газі, зазвичай у повітрі, для утримання об’єкта. Акустична кавітація виникає в рідині, коли цикли тиску спричиняють зростання та колапс бульбашок. Кавітація може генерувати інтенсивний зсув, мікрострумені та нагрівання, тому її не слід плутати з м’якшим механізмом стоячих хвиль, що використовується для звичайної левітації.
Чому акустична левітація корисна для рідких роботів?
Левітація усуває контакт із твердими поверхнями і, отже, зменшує тертя, адгезію, забруднення та неконтрольоване змочування. Вона може забезпечити чисте транспортування, реакції без контейнерів та інспекцію рідкого робота без опорної підкладки. Робот також може переміщуватися між режимами роботи в левітованому стані та на поверхні.
Чи може акустична левітація керувати, обертати або об’єднувати рідких роботів?
Так, але вертикального підвішування недостатньо. Бічний рух можна створити, переміщуючи акустичну пастку, зміщуючи відбивач або застосовуючи контрольований градієнт тиску з додатковим ультразвуковим джерелом. Зворотний зв’язок від камери може допомогти регулювати керування, обертання, стикування та контрольоване об’єднання кількох роботів.
Література / Посилання
- Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots. Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
- Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
- Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
- Wonhyuk Jo, Johannes Möller, Jörg Hallmann, James Wrigley, Jan-Etienne Pudell, Ulrike Boesenberg, Felix Brausse, Angel Rodriguez-Fernandez, Alexey Zozulya, Roman Shayduk, Anders Madsen (2025): MHz X-ray photon correlation spectroscopy using an acoustic levitator at the European XFEL. Journal of Synchrotron Radiation 32, 2025. 669–677.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.