قایق ها و میکرودرون هایی که با نیروی صدا حرکت می کنند

یک قایق بسیار کوچک را تصور کنید که روی آب می‌لغزد، نه با موتور یا پروانه، بلکه با فشار ظریف یک صدا. عجیب به نظر می‌رسد؟ همین صحنه روی میز آزمایشگاه مدرسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان دیده شد؛ جایی که پژوهشگران توانستند از خود صدا حرکت بسازند.

آن‌ها قایق‌ها و پهپادهای مینیاتوری ساختند که انرژی صوتی را به نیروی رانش تبدیل می‌کنند. بدون چرخ‌دنده. بدون آهن‌ربا. بدون محورهای چرخان. راز کار در حفره‌های تشدیدی نهفته است: محفظه‌های توخالی که طوری تنظیم شده‌اند تا در فرکانس‌های مشخص پاسخ بدهند. وقتی یک بلندگو بسامد مناسب را پخش می‌کند، هوای داخل این حفره‌ها می‌لرزد و از یک دهانه کوچک به بیرون رانده می‌شود. جت هوای خروجی یک نیروی هل‌دهنده یک‌جهته ایجاد می‌کند و کل دستگاه را به حرکت درمی‌آورد.

به صدایی فکر کنید که هنگام دمیدن روی دهانه یک بطری تولید می‌شود. فیزیک همان است، فقط مقیاس فرق می‌کند. تیم مدرسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان این تشدیدگرها را از پلاستیک‌های چاپ سه‌بعدی، پلیمرهای لاستیک‌مانند و شیشه ساخت؛ موادی که به دلیل دقت بالا و وزن کم انتخاب شدند. چون هیچ قطعه مکانیکی متحرکی در کار نیست، پژوهشگران توانستند اندازه دستگاه‌ها را تا حدی کوچک کنند که موتورهای کلاسیک به‌سختی به آن می‌رسند.

در آزمایش‌های اولیه، دانشمندان تا سه تشدیدگر را روی قایق‌های کوچک نصب کردند. هر حفره به یک فرکانس شنیدنی مشخص پاسخ می‌داد و قایق را در جهتی خاص هل می‌داد. با تغییر صداها از یک بلندگوی خارجی، آن‌ها قایق‌ها را از مسیرهای دارای مانع عبور دادند و حتی برایشان ناوبری خودکار ساده برنامه‌ریزی کردند. کنترل از طریق صدا انجام می‌شد، نه عملگرهای نصب‌شده روی بدنه.

آن‌ها این ایده را با نمونه‌های پرنده فوق‌سبک یک گام جلوتر بردند. تیم پژوهشی با استفاده از چاپ نانومقیاس سه‌بعدی، میکرودرون‌هایی ساخت که در محدوده فراصوت کار می‌کنند، بنابراین انسان صدای آن‌ها را نمی‌شنود. یکی از طرح‌ها که حدود ۱۵۰ میکروگرم وزن داشت و به سه حفره مجهز بود، نیروی رانش رو به پایین تولید کرد و مانند یک موشک کوچک از سطح جدا شد. در طرحی دیگر، سه تیغه مجهز به تشدیدگر پیرامون یک محور مرکزی قرار گرفتند؛ وقتی این سامانه با فرکانس فراصوت مناسب تحریک شد، تیغه‌ها با سرعتی نزدیک به ۱۳ هزار دور بر دقیقه چرخیدند و نیروی برا کافی برای معلق ماندن کوتاه‌مدت ایجاد کردند؛ بازآفرینی فیزیک یک بالگرد کوچک با کمک صدا.

مقیاس همچنان گره اصلی ماجراست. این نمونه‌های پرنده کمتر از ۵ میلی‌متر از سطح بلند شدند و قایق‌ها نیز بسیار سبک بودند. با این حال، آزمایش‌ها یک ایده قدرتمند را نشان می‌دهند: حفره‌های تشدیدی می‌توانند به عنوان سامانه‌های پیشرانش برای میکروربات‌ها عمل کنند. جت‌های صوتی که زمانی کنجکاوی عجیبی به نظر می‌رسیدند، اکنون روشی عملی برای حرکت دادن، هدایت کردن و حتی بلند کردن ماشین‌های سانتی‌متری و زیرسانتی‌متری به شمار می‌آیند.

پیشرانش صوتی مسیری تازه به سوی میکروربات‌های ساده‌تر و سبک‌تر باز می‌کند؛ ربات‌هایی که به جای قطعات متحرک متعارف، بر مکانیک تنظیم‌شده با صدا تکیه دارند. چالش‌هایی مانند بازده، یکپارچه‌سازی کنترل داخلی و عملکرد بیرون از میدان‌های کنترل‌شده آزمایشگاهی هنوز باقی است، اما اصل علمی روشن است و ظرفیت آن چشمگیر به نظر می‌رسد.

گزارش فنی کامل این پژوهش در مجله ساینس ادونسز منتشر شده است و گام‌های بعدی نشان خواهد داد که این تکانه صوتی تا چه اندازه می‌تواند کاوشگرهای مینیاتوری را از میز آزمایشگاه فراتر ببرد و وارد کاربردهای عملی کند.