Nâng lơ lửng bằng âm học cho robot lỏng bọc giáp hạt
Robot lỏng bọc giáp hạt là một cỗ máy mềm được dẫn động bằng trường, thay vì một robot cứng thu nhỏ. Cơ thể lỏng của nó có thể thay đổi hình dạng, chảy quanh chướng ngại vật, bao nuốt một vật thể tương thích và hợp nhất với một robot lân cận, trong khi lớp vỏ hạt ngăn chất lỏng làm ướt môi trường xung quanh. Nghiên cứu năm 2025 trên tạp chí Science Advances giới thiệu robot lỏng bọc giáp hạt, hay PB, đã sử dụng bộ chuyển đổi siêu âm Hielscher UP400S (400 W, 24 kHz) với đầu sonotrode 22 mm để tác dụng lực bức xạ âm từ xa. Lực này đẩy và làm PB lăn trên các bề mặt đỡ thông thường; bộ chuyển đổi được đặt nghiêng 10 độ cho các tác vụ điều hướng và đặt theo phương thẳng đứng để hợp nhất các robot.
Từ lực đẩy âm học đến trạng thái treo lơ lửng bằng âm học
Việc nâng lơ lửng thực sự bằng âm học làm thay đổi điều kiện biên. Thay vì sử dụng sóng chạy để thắng lực cản lăn, một cặp đầu sonotrode và bộ phản xạ đặt đối diện nhau tạo ra trường áp suất sóng dừng, giúp đỡ robot chống lại trọng lực. Loại bỏ mặt sàn sẽ loại bỏ tiếp xúc với vật rắn, nhưng đồng thời cũng loại bỏ ma sát vốn giúp chuyển lực âm thành chuyển động lăn. Vì vậy, một cỗ máy thực dụng cần hai chức năng: một bẫy theo phương thẳng đứng để nâng và một gradient hoặc sóng chạy có thể điều khiển độc lập để tạo chuyển động tịnh tiến. Kết quả này nên được xem là một trạm thao tác âm học lai với các chế độ nâng lơ lửng, điều hướng, hợp nhất và tiếp bến.
Khám phá cách một hệ thống siêu âm Hielscher được điều khiển chính xác có thể cho phép nâng lơ lửng các robot lỏng bọc giáp hạt mà không cần tiếp xúc. Hãy trao đổi với các chuyên gia siêu âm của chúng tôi về việc thử nghiệm ý tưởng của bạn.
Thiết bị nâng lơ lửng bằng âm học UP400St (400W, 24kHz) giữ một hạt lơ lửng giữa không trung
Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật nâng lơ lửng bằng âm học
Kỹ thuật nâng lơ lửng bằng âm học sử dụng lực bức xạ âm để treo một vật thể mà không cần tiếp xúc cơ học. Trong một thiết bị nâng lơ lửng bằng siêu âm điển hình, đầu sonotrode phát âm thanh tần số cao về phía bộ phản xạ đặt đối diện. Sóng tới và sóng phản xạ giao thoa để tạo thành sóng dừng có các nút và bụng áp suất xen kẽ. Một robot lỏng bọc giáp hạt đặt gần một nút ổn định chịu tác dụng của lực âm trung bình theo thời gian chống lại trọng lực, trong khi các gradient áp suất tạo lực hồi phục khi có những dịch chuyển nhỏ và giữ robot trong bẫy. Khoảng cách đến bộ phản xạ, tần số âm và biên độ dao động phải được điều chỉnh phù hợp với kích thước, khối lượng và hình dạng của robot. Các đầu khuếch đại siêu âm bổ sung hoặc chuyển động có điều khiển của trường âm có thể giúp điều hướng ngang, xoay và tiếp bến. Khác với hiện tượng xâm thực âm, vốn liên quan đến sự phát triển và sụp đổ của các bọt khí bên trong chất lỏng, kỹ thuật nâng lơ lửng bằng âm học chủ yếu dựa vào áp suất bức xạ truyền qua không khí xung quanh. Tuy vậy, cần tránh áp suất âm quá cao vì nó có thể làm biến dạng lõi lỏng, làm bong các hạt giáp hoặc khiến robot mất ổn định.
Nâng lơ lửng như một cơ chế nâng
Trong một thiết bị nâng lơ lửng có âm truyền qua không khí, lực mong muốn là lực bức xạ âm trung bình theo thời gian được tạo ra bởi sự tán xạ và hấp thụ trường âm. Bộ phản xạ đưa sóng tới quay trở lại đầu khuếch đại siêu âm, và hai sóng giao thoa để tạo ra các nút và bụng sóng. Một vật thể có khối lượng riêng lớn và kích thước cỡ milimét trong không khí có thể được giữ trong bẫy gần một nút áp suất ổn định khi lực bức xạ hướng lên cân bằng với trọng lượng của nó và gradient lực tạo lực hồi phục khi có những dịch chuyển nhỏ. Ngược lại, xâm thực xảy ra bên trong chất lỏng khi các chu kỳ áp suất âm làm các bọt khí dao động. Hai hiện tượng này chỉ có thể cùng tồn tại nếu có đủ năng lượng âm truyền vào giọt chất lỏng, nhưng không nên đánh đồng chúng.
Nâng lơ lửng bằng âm học một quả cầu cứng nhỏ tại nút áp suất của sóng dừng phẳng được thiết lập giữa bộ chuyển đổi/thiết bị nâng lơ lửng và bộ phản xạ.
(nghiên cứu và hình ảnh: © Andrade et al. 2018)
Robot lỏng bọc giáp hạt là gì?
Các viên bi lỏng thông thường là những giọt chất lỏng được phủ bột kỵ nước. Lực mao dẫn giữ các hạt tại bề mặt phân cách lỏng–khí, và sự tái sắp xếp của các hạt khiến bề mặt có đáp ứng giống như một lớp vỏ. Khái niệm PB tăng cường cấu trúc đó bằng cách đưa vào lượng hạt lớn hơn đáng kể trên mỗi đơn vị thể tích chất lỏng. Trong quy trình chế tạo được báo cáo, một tiền thể băng hình hộp chữ nhật được phủ các hạt PTFE dạng vảy có đường kính mặt đáy trung bình là 34 micromét. Khi băng tan và co lại, các hạt bị chèn chặt thành một lớp đặc, phân bố đồng đều quanh lõi nước có dạng thuôn dài.
Đối với các dạng hình học được nghiên cứu, PB mang khối lượng hạt nhiều hơn khoảng 59% so với các viên bi lỏng thông thường, với tỷ lệ xếp chặt 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 khả năng chịu nén cao nhất đo được; lực nén tối đa của nó lớn hơn 252% so với viên bi lỏng dùng để so sánh. Hình dạng quá mảnh làm suy yếu các mặt bên, vì vậy lớp giáp nhiều hơn và hình dạng dài hơn không mặc nhiên tốt hơn.
Lượng hạt dự trữ có thể di chuyển trên bề mặt đó cho phép PB chịu được sự gia tăng tạm thời của diện tích bề mặt phân cách. Các robot được báo cáo đã lách qua các dãy trụ ưa nước, bao lấy các hạt thủy tinh ưa nước, hợp nhất dưới tác dụng của tải trọng âm theo phương thẳng đứng, lướt trên mặt nước, vận chuyển thuốc thử và giải phóng chất chứa bên trong khi một chất hoạt động bề mặt làm nứt vỡ lớp giáp. Từ robot ở đây mô tả vật chất được điều khiển từ bên ngoài và có khả năng thực hiện nhiệm vụ; PB không có cơ cấu chấp hành, cảm biến hay nguồn năng lượng tích hợp.
Robot lỏng được bọc giáp hạt
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Jeon và cộng sự, 2025
Thiết bị nâng bằng âm thanh UP400St công suất 400 oát nâng một hạt nhỏ lơ lửng tại nút áp suất ổn định, minh họa khả năng định vị chính xác bằng âm thanh mà không tiếp xúc với bề mặt.
Vì sao nâng bằng âm thanh hữu ích cho robot lỏng
Loại bỏ bề mặt tiếp xúc cơ học gây nhiều trở ngại nhất
Việc di chuyển trên bề mặt khiến robot lỏng chịu tác động của ma sát, độ nhám, sự bám dính, nhiễm bẩn và hiện tượng thấm ướt khó dự đoán. Nâng lơ lửng thay thế sự tiếp xúc đó bằng một trường có thể lập trình. Điều này có thể bảo vệ lớp vỏ hạt mỏng manh, ngăn thất thoát vật chất được vận chuyển có độ tinh khiết cao và cho phép robot vượt qua các khe hở hoặc bề mặt có thể giữ chặt một giọt nước. Phương pháp này cũng tương thích với vật chất được vận chuyển trung hòa điện và không có từ tính, nên không cần bổ sung các chất phụ gia đáp ứng với trường vào lớp giáp.
Tạo ra một thiết bị vi phản ứng không cần bình chứa
Một PB lơ lửng vừa là một gói chứa di động vừa là một bình phản ứng nhỏ. Nhiều bẫy có thể giữ các thuốc thử tách biệt; sau đó, chuyển động có kiểm soát có thể đưa các robot tiếp xúc với nhau để bắt đầu sự hợp giọt. Các nghiên cứu nâng bằng âm thanh trên những viên bi lỏng thông thường đã chứng minh khả năng mở lớp vỏ có kiểm soát, hợp giọt và kích hoạt phản ứng chỉ thị. Lớp vỏ PB bền hơn được kỳ vọng sẽ mở rộng phạm vi thao tác khả dụng, mặc dù lợi thế cụ thể đó vẫn cần được đo lường khi PB lơ lửng trong không khí.
Cho phép các chế độ đo lường và chuyển giao mới
Khi trọng lực được cân bằng bằng lực âm, camera có thể đo sự biến dạng tự do, sự mất ổn định của lớp vỏ, chuyển động quay và sự bay hơi mà không có vùng tiếp xúc. Thiết bị có thể chuyển một PB giữa ba môi trường vận hành: nâng lơ lửng để vận chuyển sạch, cho tiếp xúc với bề mặt để xuyên qua hoặc thu nhận vật chất cần vận chuyển, rồi đưa trở lại bẫy để phản ứng hoặc kiểm tra. Trình tự kết hợp này bảo toàn những hành vi trên bề mặt nổi trội nhất trong bài báo, đồng thời bổ sung một phương thức chuyển giao không tiếp xúc.
Nâng lơ lửng không mặc nhiên nhẹ nhàng hơn. Áp suất âm cao có thể làm dẹt giọt chất lỏng, tạo dòng tuần hoàn bên trong, làm nóng chất lỏng, tách các hạt khỏi bề mặt hoặc phun sương tại bề mặt phân cách. Phạm vi vận hành khả dụng nằm giữa áp suất tối thiểu cần thiết để giữ PB trong bẫy và dấu hiệu đầu tiên của sự tái sắp xếp lớp vỏ không thể đảo ngược. Phải xác định phạm vi đó cho từng tổ hợp thể tích, tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng, chất lỏng lõi và vật liệu lớp giáp.
Thiết bị nâng bằng âm thanh UP100H giữ một giọt chất lỏng lơ lửng trong trường siêu âm sóng đứng để thao tác không tiếp xúc.
Ưu điểm của các thiết bị nâng bằng siêu âm Hielscher
Nền tảng thực nghiệm kế thừa trực tiếp
Tận dụng những cơ sở ban đầu đã được xác lập mà Jeon và các đồng nghiệp (2025) công bố. Nghiên cứu về PB sử dụng Hielscher UP400S ở 24 kHz và 400 W với đầu dò siêu âm 22 mm. Việc chuyển sang mẫu kỹ thuật số UP400St duy trì cùng cấp công suất và tần số danh định, đồng thời bổ sung khả năng điều khiển hiện đại, các cài đặt có thể lập trình và chức năng ghi nhật ký dữ liệu. Điều này làm giảm sự bất định trong kênh điều hướng bằng sóng truyền, mặc dù khoang sóng đứng vẫn là một hệ thống con mới.
Biên độ cao với khả năng điều chỉnh thiết thực
Thiết bị siêu âm UP400St nâng các hạt rắn và lỏng lơ lửng một cách đáng tin cậy. Đầu dò siêu âm có thể đạt độ dịch chuyển 118 micromét ở mức cài đặt 100%. UP400St cho phép điều chỉnh biên độ từ 20 đến 100%, vận hành ngắt quãng có thể lập trình, tự động điều chỉnh tần số và lựa chọn nhiều đầu dò siêu âm, bao gồm mẫu titan 22 mm được sử dụng trong nghiên cứu của Jeon và cộng sự, 2025. Sự kết hợp này hỗ trợ lập bản đồ các ngưỡng, tăng giảm biên độ nhẹ nhàng và tạo các xung có thể lặp lại, thay vì chỉ có một điểm vận hành bật/tắt duy nhất.
Thiết bị đo lường và tự động hóa
UP400St ghi biên độ, công suất, thời gian và nhiệt độ vào thẻ SD và có thể được giám sát hoặc điều khiển thông qua giao diện trình duyệt. Những tính năng này đặc biệt hữu ích đối với thiết bị nâng lơ lửng dùng trong nghiên cứu vì độ ổn định âm học nhạy với sự trôi nhiệt, hình học và tải. Các cài đặt đã ghi có thể được đồng bộ hóa với dữ liệu vị trí và biến dạng thu được từ camera để tạo ra bản đồ vận hành có thể tái lập.
Lộ trình từ thiết bị để bàn đến hệ thống lắp đặt vững chắc
Các thiết bị nâng lơ lửng Hielscher có thể được lắp đặt riêng lẻ hoặc song song; ngoài ra, các thiết bị nâng lơ lửng tùy chỉnh cũng được cung cấp theo yêu cầu. UIP500hdT có bộ phát và bộ chuyển đổi được bố trí tách rời, đồng thời sử dụng bộ chuyển đổi đạt cấp bảo vệ IP64, một đặc điểm hữu ích khi vỏ bao che phải chịu được độ ẩm hoặc sự cố robot bị vỡ. Đây là những tuyên bố của nhà sản xuất và cần được kiểm chứng đối với đúng cấu hình được báo giá.
Đối với việc nâng lơ lửng bằng âm thanh, Hielscher cung cấp ba loại thiết bị nâng lơ lửng tiêu chuẩn:
- UP100H – thiết bị nâng lơ lửng 30kHz, 100 W
- UP400ST – thiết bị nâng lơ lửng 24kHz, 400W
- UIP500hdT – thiết bị nâng lơ lửng 20kHz, 500W
Nâng robot lỏng của bạn lơ lửng một cách đáng tin cậy!
Các câu hỏi thường gặp về nâng lơ lửng bằng âm thanh và robot lỏng
Nâng lơ lửng bằng âm thanh là gì?
Nâng lơ lửng bằng âm thanh là phương pháp không tiếp xúc sử dụng âm thanh để giữ một vật lơ lửng và định vị vật đó. Bộ phát siêu âm và bộ phản xạ tạo ra sóng áp suất đứng, và lực bức xạ âm sinh ra có thể cân bằng trọng lực và giữ vật ở gần một nút áp suất ổn định.
Đọc thêm về nâng lơ lửng bằng âm thanh và các ứng dụng của phương pháp này!
Thiết bị nâng lơ lửng bằng siêu âm hoạt động như thế nào?
Thiết bị nâng lơ lửng bằng siêu âm hướng âm thanh tần số cao từ đầu dò siêu âm đến bộ phản xạ đối diện. Sóng tới và sóng phản xạ giao thoa để tạo thành các nút và bụng sóng. Khi áp suất âm, khoảng cách đến bộ phản xạ và vị trí của vật được điều chỉnh phù hợp, một hạt hoặc giọt có thể được giữ trong bẫy tại một nút ổn định.
Robot lỏng có lớp giáp hạt là gì?
Robot lỏng có lớp giáp hạt là một khối chất lỏng có thể biến dạng, được bao bọc bởi lớp vỏ gồm các hạt kỵ nước xếp sít nhau. Lớp giáp này hạn chế sự thấm ướt và giúp robot giữ lại vật chất bên trong khi di chuyển, thay đổi hình dạng, hợp nhất với các giọt khác hoặc vận chuyển các tải nhỏ.
Robot lỏng có lớp giáp hạt khác với viên bi lỏng như thế nào?
Cả hai hệ đều gồm chất lỏng được bao quanh bởi các hạt kỵ nước. Tuy nhiên, robot lỏng có lớp giáp hạt có lớp vỏ hạt đặc biệt sít chặt và bền cơ học, được thiết kế để hỗ trợ chuyển động có điều khiển và thực hiện các nhiệm vụ chức năng. Các hạt bổ sung trên bề mặt cũng cho phép lớp giáp tái sắp xếp khi khối chất lỏng biến dạng.
Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể nâng robot lỏng có lớp giáp hạt lơ lửng không?
Thiết bị siêu âm Hielscher có thể được cấu hình để nâng lơ lửng bằng sóng đứng âm học, và một thiết bị Hielscher UP400S đã được sử dụng để dẫn động robot chất lỏng bọc giáp hạt trên các bề mặt rắn. Việc nâng trực tiếp các robot cụ thể này lơ lửng trong không khí vẫn là một ý tưởng kỹ thuật cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm về độ ổn định của bẫy, sự gia nhiệt, biến dạng và mất hạt.
Thiết bị siêu âm Hielscher nào phù hợp cho nghiên cứu nâng lơ lửng bằng âm học?
Hielscher UP400St, có công suất định mức 400 watt và tần số 24 kilohertz, là một lựa chọn khởi đầu hợp lý cho việc phát triển trong phòng thí nghiệm vì thiết bị cho phép điều chỉnh biên độ, vận hành theo xung, tự động điều chỉnh tần số và ghi dữ liệu quá trình. Việc lựa chọn thiết bị siêu âm, đầu dò siêu âm và hình học của bộ phản xạ phù hợp cuối cùng phụ thuộc vào kích thước, khối lượng, hình dạng và các chế độ vận hành cần thiết của robot.
Nâng lơ lửng bằng âm học khác với xâm thực âm học như thế nào?
Nâng lơ lửng bằng âm học chủ yếu dựa vào áp suất bức xạ trong chất khí, thường là không khí, để giữ một vật lơ lửng. Xâm thực âm học xảy ra bên trong chất lỏng khi các chu kỳ áp suất khiến bọt khí phát triển và sụp đổ. Xâm thực có thể tạo ra lực cắt mạnh, các tia vi mô và sự gia nhiệt, vì vậy không nên nhầm lẫn hiện tượng này với cơ chế sóng đứng nhẹ nhàng hơn được sử dụng trong các thao tác nâng lơ lửng thông thường.
Tại sao nâng lơ lửng bằng âm học lại hữu ích cho robot chất lỏng?
Việc nâng lơ lửng loại bỏ tiếp xúc với các bề mặt rắn và do đó làm giảm ma sát, bám dính, nhiễm bẩn và thấm ướt không kiểm soát. Phương pháp này có thể cho phép vận chuyển sạch, thực hiện phản ứng không cần vật chứa và kiểm tra robot chất lỏng mà không cần đế đỡ. Robot cũng có thể được chuyển đổi giữa chế độ vận hành lơ lửng và chế độ vận hành trên bề mặt.
Nâng lơ lửng bằng âm học có thể điều hướng, xoay hoặc hợp nhất robot chất lỏng không?
Có, nhưng chỉ giữ lơ lửng theo phương thẳng đứng là chưa đủ. Chuyển động ngang có thể được tạo ra bằng cách di chuyển bẫy âm học, dịch chuyển bộ phản xạ hoặc áp dụng một gradient áp suất được kiểm soát bằng một nguồn siêu âm bổ sung. Phản hồi từ camera có thể giúp điều chỉnh việc điều hướng, xoay, cập bến và hợp nhất nhiều robot một cách có kiểm soát.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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 sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.