Инженеры создали микророботов, способных двигаться без двигателей, батарей и других традиционных источников тяги — их приводит в движение звук. Разработка основана на том же физическом эффекте, благодаря которому при продувании горлышка пустой бутылки возникает устойчивый звук. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

В основе технологии лежит явление, известное как резонанс Гельмгольца. В 1856 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц изучал его в связи с настройкой музыкальных инструментов. Когда воздух внутри полой полости входит в резонанс, из отверстия возникает небольшой воздушный поток. Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии показали, что этот эффект можно использовать для создания тяги в миниатюрных машинах.

Для этого ученые уменьшили размеры резонаторов, переведя частоту, необходимую для их активации, в ультразвуковой диапазон. Такой подход позволяет точнее направлять звуковую энергию и при этом не создавать слышимый человеком громкий звук. По словам соавтора исследования, профессора механической инженерии Сельмана Сакара, при повышении давления воздушная струя, возникающая в резонаторе, становится достаточно мощной, чтобы создавать механическую тягу.

Полые конструкции исследователи изготовили с помощью двухфотонной 3D-печати. Лабораторные эксперименты и компьютерное моделирование подтвердили, что созданные резонаторы генерируют рассчитанную тягу.

Ученые испытали технологию на нескольких типах устройств. Они создали небольшие лодки длиной около 5 см, оснащенные несколькими резонаторами, каждый из которых настроен на собственную частоту и направлен в определенную сторону. Меняя частоту звука от расположенного поблизости динамика, исследователи могли заставлять лодку двигаться прямо, поворачивать налево или направо.

Еще меньше оказались созданные ими микролетательные аппараты — некоторые имели размер всего около 1 мм. Одни из них создавали подъемную силу по принципу ракеты, выбрасывая воздушную струю вниз, другие использовали звуковые волны для вращения миниатюрных лопастей и поднимались в воздух по принципу вертолета.

По мнению исследователей, одно из главных преимуществ технологии заключается в возможности масштабировать ее до чрезвычайно малых размеров. Обычные электродвигатели имеют ограничения при миниатюризации из-за необходимости использовать магниты, катушки, валы и другие физические компоненты. Резонатор же представляет собой полую конструкцию определенной формы, поэтому подобных ограничений у него нет.

В будущем тот же принцип может найти применение не только в микророботах. Ученые предполагают, что управляемые звуком резонаторы позволят бесконтактно вращать и перемещать крошечные объекты в воздухе, а также создавать мягкие гибкие поверхности, способные изгибаться и менять форму под воздействием определенных частот. Такая технология потенциально может использоваться и в биомедицине, например при разработке управляемых имплантатов и стентов.

Исследователи подчеркивают, что пока речь идет о фундаментальной разработке. Следующим этапом станет создание более прикладных конструкций, систем управления и навигации для таких микромашин.