Công nghệ lơ lửng bằng sóng âm cho robot lỏng được gia cố bằng hạt

Robot lỏng được gia cố bằng hạt là một cỗ máy mềm được điều khiển tại chỗ, chứ không phải là một robot cứng thu nhỏ. Thân máy lỏng của nó có thể thay đổi hình dạng, chảy vòng qua chướng ngại vật, bao trùm một vật thể tương thích và hợp nhất với vật thể lân cận, trong khi lớp vỏ hạt ngăn không cho chất lỏng làm ướt môi trường xung quanh. Nghiên cứu trên tạp chí Science Advances năm 2025 giới thiệu robot chất lỏng được bảo vệ bằng hạt (PB) đã sử dụng bộ chuyển đổi siêu âm Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) với đầu dò siêu âm 22 mm để tạo ra lực bức xạ âm thanh từ xa. Lực này đã đẩy và lăn PB trên các bề mặt thông thường; đầu dò được nghiêng 10 độ cho các tác vụ điều hướng và được định hướng thẳng đứng để hợp nhất.

Từ hệ thống truyền động âm thanh đến hệ thống treo âm thanh

Sự lơ lửng bằng âm thanh thực sự thay đổi điều kiện biên. Thay vì sử dụng sóng tiến để vượt qua lực cản lăn, cặp sonotrode-phản xạ đối lập tạo ra một trường áp suất đứng giúp robot chống lại trọng lực. Việc loại bỏ sàn không chỉ loại bỏ tiếp xúc với bề mặt rắn mà còn loại bỏ ma sát vốn giúp chuyển đổi lực âm thanh thành chuyển động lăn. Do đó, một cỗ máy thực tế cần có hai chức năng: một bẫy dọc để nâng và một sóng dốc hoặc sóng tiến có thể điều khiển độc lập để dịch chuyển. Kết quả này được xem là một tế bào làm việc âm thanh lai với các chế độ lơ lửng, điều hướng, hợp nhất và cập bến.

Nguyên lý hoạt động của hiện tượng lơ lửng bằng sóng âm

Lơ lửng bằng sóng âm sử dụng lực bức xạ âm thanh để giữ một vật thể lơ lửng mà không cần tiếp xúc cơ học. Trong một thiết bị lơ lửng siêu âm điển hình, một đầu phát siêu âm (sonotrode) phát ra sóng âm tần số cao về phía một tấm phản xạ đối diện. Các sóng tới và sóng phản xạ giao thoa với nhau để tạo thành một sóng đứng chứa các điểm nút và điểm bụng áp suất xen kẽ. Một robot lỏng được bọc hạt đặt gần một điểm đứng ổn định sẽ chịu một lực âm thanh trung bình theo thời gian để chống lại lực hấp dẫn, trong khi độ dốc áp suất khôi phục các chuyển vị nhỏ và giữ robot ở vị trí cố định. Khoảng cách giữa các tấm phản xạ, tần số âm thanh và biên độ dao động phải được điều chỉnh phù hợp với kích thước, khối lượng và hình dạng của robot. Các loa bổ sung hoặc chuyển động có kiểm soát của trường âm thanh có thể cung cấp khả năng điều hướng ngang, xoay và cập bến. Không giống như hiện tượng xâm thực âm thanh, liên quan đến sự hình thành và vỡ của các bong bóng bên trong chất lỏng, hiện tượng lơ lửng bằng âm thanh chủ yếu dựa vào áp suất bức xạ truyền qua không khí xung quanh. Tuy nhiên, cần tránh áp suất âm thanh quá cao vì nó có thể làm biến dạng lõi chất lỏng, làm bong tróc các hạt giáp hoặc làm mất ổn định robot.

Lơ lửng như một cơ chế nâng

Trong một thiết bị lơ lửng kết hợp với không khí, lực mong muốn là lực bức xạ âm thanh trung bình theo thời gian, được tạo ra bởi sự tán xạ và hấp thụ của trường âm thanh. Một tấm phản xạ sẽ phản xạ sóng tới trở lại về phía loa kèn, và hai sóng này giao thoa với nhau để tạo ra các điểm đứng và điểm chạy. Một vật thể dày đặc có kích thước milimet trong không khí có thể bị giữ lại gần một điểm nút áp suất ổn định khi lực bức xạ hướng lên cân bằng trọng lượng của vật thể và độ dốc lực khôi phục các chuyển vị nhỏ. Ngược lại, hiện tượng xâm thực xảy ra bên trong chất lỏng khi các chu kỳ áp suất âm tạo ra bong bóng. Hai hiện tượng này chỉ có thể cùng tồn tại nếu có đủ năng lượng âm thanh đi vào giọt chất lỏng, nhưng không nên nhầm lẫn giữa chúng.

Robot lỏng được gia cố bằng hạt là gì?

Các viên bi lỏng thông thường là những giọt chất lỏng được phủ một lớp bột kỵ nước. Lực mao dẫn giữ các hạt tại giao diện chất lỏng-khí, và sự sắp xếp lại của các hạt tạo ra phản ứng giống như lớp vỏ trên bề mặt. Khái niệm PB củng cố cấu trúc này bằng cách nạp một lượng hạt nhiều hơn đáng kể trên mỗi đơn vị thể tích chất lỏng. Trong quy trình chế tạo được báo cáo, một tiền chất băng hình khối được phủ bằng các hạt PTFE dạng vảy có đường kính trung bình của mặt đáy là 34 micromet. Khi băng tan chảy và co lại, các hạt này đã dồn lại thành một lớp dày đặc, phân bố đồng đều xung quanh một lõi nước hình thuôn dài.
Đối với các hình dạng được nghiên cứu, các hạt PB chứa khối lượng hạt nhiều hơn khoảng 59% so với các viên bi lỏng thông thường, với tỷ lệ đóng gói được báo cáo là 0,983 thay vì 0,956. Ở thể tích chất lỏng 75 milimét khối, tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng gần 1,55 cho thấy khả năng chống nén cao nhất được đo được; lực nén tối đa của nó cao hơn 252% so với viên bi lỏng dùng để so sánh. Hình dạng quá thon dài sẽ làm suy yếu các mặt bên, do đó, lớp bảo vệ dày hơn và độ giãn dài lớn hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn.
Lượng hạt bề mặt di động dự trữ này giúp PB có thể tồn tại trước những sự gia tăng tạm thời về diện tích bề mặt tiếp xúc. Các robot được báo cáo đã chui lọt qua các mảng cột ưa nước, nuốt chửng các hạt thủy tinh ưa nước, hợp nhất dưới tác động của tải trọng âm thanh dọc, lướt trên mặt nước, vận chuyển các chất phản ứng và xả nội dung bên trong khi chất hoạt động bề mặt làm vỡ lớp giáp bảo vệ. Từ “robot” ở đây dùng để chỉ vật chất có khả năng thực hiện nhiệm vụ và được điều khiển từ bên ngoài; PB không có bộ truyền động, cảm biến hay nguồn năng lượng tích hợp.