دانشمندان موفق شدهاند رباتهایی به کوچکی یک میلیمتر بسازند که بدون هیچ موتور، باتری یا سیمپیچی، تنها با تکیه بر امواج صوتی به حرکت درمیآیند و حتی پرواز میکنند. این فناوری نوظهور که بر پایه اصلی فیزیکی با قدمتی بیش از یک قرن بنا شده، میتواند آینده رباتیک در مقیاس میکروسکوپی را دگرگون کند.
تشدید هلمهولتز؛ از کوک کردن ساز تا به پرواز درآوردن ربات
ماجرا از یک تجربه ساده شروع میشود: اگر روی دهانه یک بطری خالی فوت کنید، صدایی بم و واضح ایجاد میشود. این صدا نتیجه پدیدهای به نام تشدید هلمهولتز است؛ اصلی فیزیکی که نخستین بار در سال ۱۸۵۶ توسط فیزیکدان آلمانی هرمان فون هلمهولتز هنگام تلاش برای کوک کردن دقیق سازهای موسیقی بررسی شد.
هلمهولتز کشف کرد که هوای محبوس درون یک حفره، در فرکانس طبیعی خود به ارتعاش درمیآید و میتواند جریان بسیار ضعیفی از هوا ایجاد کند. در سازهای موسیقی این جریان آنقدر ضعیف است که نیروی قابل توجهی تولید نمیکند، اما پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال لوزان (EPFL) نشان دادهاند که اگر این اصل به درستی مهندسی شود، همین جریان ضعیف میتواند به یک موتور نامرئی تبدیل شود.
به گزارش لایوساینس، تیم تحقیقاتی به سرپرستی سلمن ساکار، استادیار مهندسی مکانیک در EPFL، حفرههای توخالی بسیار ریزی در بدنه رباتها ایجاد کردهاند. هر حفره مانند یک تشدیدگر صوتی عمل میکند و برای یک فرکانس خاص تنظیم شده است. وقتی موج صوتی با فرکانس دقیق به حفره برخورد میکند، هوای درون آن به شدت به ارتعاش درآمده و جتی از هوا به بیرون پرتاب میکند.
رباتها چگونه بدون موتور حرکت میکنند؟
راز این حرکت در هندسه دقیق حفرههاست. پژوهشگران با استفاده از فناوری پیشرفته چاپ سهبعدی دوفوتونی، این تشدیدگرها را بر اساس معادلات اصلی هلمهولتز با دقتی در حد میکرون ساختهاند. شبیهسازیهای رایانهای و آزمایشهای تجربی نیز تأیید کردهاند که این ساختارها دقیقاً نیروی رانش پیشبینیشده را تولید میکنند.
سلمن ساکار در این باره توضیح میدهد: «در سازهای موسیقی، فشار هوا برای ایجاد نیروی قابل توجه کافی نیست؛ اما اگر بتوان فشار را افزایش داد، جریان هوای خروجی آنقدر قدرتمند میشود که میتوان از آن برای راندن ماشینها استفاده کرد.»
کلید این افزایش فشار، کوچکسازی است. هرچه ابعاد تشدیدگر کوچکتر شود، فرکانس لازم برای فعالسازی آن بالاتر میرود و به محدوده فراصوت یعنی فرکانسهای بالاتر از شنوایی انسان وارد میشود. این یک مزیت بزرگ دارد: امواج فراصوت را میتوان با دقت بسیار بالا روی نقاط کوچک متمرکز کرد، در حالی که اگر از صدای قابل شنیدن استفاده میشد، برای تولید همین نیرو باید صدا را تا حد آزاردهنده و حتی خطرناکی تقویت کرد.
از قایق ۵ سانتیمتری تا پرنده یک میلیمتری
برای اثبات کارایی ایده، تیم EPFL دو نمونه متفاوت ساخته است.
در مقیاس بزرگتر، آنها قایقهایی به طول حدود پنج سانتیمتر ساختند و چند تشدیدگر با جهتگیریهای مختلف روی آن نصب کردند. هر تشدیدگر برای فرکانس متفاوتی کوک شده بود. پژوهشگران تنها با تغییر فرکانس یک بلندگوی معمولی در نزدیکی قایق، میتوانستند تشدیدگر خاصی را فعال کنند و قایق را به چپ، راست یا جلو هدایت کنند؛ بدون هیچ اتصال فیزیکی یا مدار الکترونیکی روی قایق.
اما نمایش اصلی در مقیاس میکروسکوپی بود؛ جایی که ریزپرندههایی به عرض تنها حدود یک میلیمتر ساخته شدند. این ریزپرندهها که برخی به سختی با چشم غیرمسلح دیده میشوند، با دو مکانیسم متفاوت به پرواز درآمدند و نشان دادند که اصل تشدید هلمهولتز حتی در ابعاد تقریباً نامرئی نیز نیروی کافی برای غلبه بر جاذبه را فراهم میکند.
چرا این روش از موتور الکتریکی بهتر است؟
به گفته ساکار، بزرگترین برتری این فناوری، قابلیت بینظیر آن در کوچکسازی است. موتورهای الکتریکی معمولی برای کار به مجموعهای از قطعات پیچیده شامل آهنربا، سیمپیچ، محور و یاتاقان نیاز دارند. کوچک کردن این قطعات تا ابعاد میکرومتری با محدودیتهای شدید فیزیکی و مهندسی روبهرو میشود و بازدهی را به شدت کاهش میدهد.
در مقابل، موتور صوتی این ریزرباتها چیزی جز یک حفره توخالی با شکل دقیق نیست. هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد، هیچ سایشی رخ نمیدهد و از نظر تئوری میتوان آن را تا حد بسیار کوچکتری نیز ساخت، بدون اینکه نیازی به کوچکسازی همزمان دهها قطعه مکانیکی باشد. این سادگی، هزینه ساخت را نیز به شدت کاهش میدهد.
آینده ریزرباتهای صوتی؛ از پزشکی تا سطوح هوشمند
پژوهشگران تأکید میکنند که این فناوری هنوز در مراحل اولیه اثبات مفهوم است و تا کاربرد گسترده راه زیادی باقی مانده است. گامهای بعدی شامل توسعه سامانههای کنترلی دقیقتر، افزودن حسگرها و طراحی روشهای ناوبری خودکار خواهد بود.
با این حال، افق کاربردها بسیار گسترده است:
- کاربردهای زیستپزشکی: رباتهای فراصوتی میتوانند در آینده داخل بدن حرکت کنند، دارو را به نقطه دقیق برسانند یا در جراحیهای ظریف مشارکت کنند، زیرا برای تغذیه نیازی به باتری داخلی ندارند و از خارج بدن با امواج بیخطر فراصوت کنترل میشوند.
- جابهجایی بدون تماس: از همین اصل میتوان برای چرخاندن و جابهجایی دقیق ذرات و قطعات بسیار کوچک در هوا، بدون نیاز به لمس فیزیکی استفاده کرد؛ قابلیتی ارزشمند در صنایع میکروالکترونیک.
- سطوح و سازههای هوشمند: پژوهشگران از امکان ساخت مواد نرم و انعطافپذیری خبر میدهند که با دریافت یک فرکانس صوتی خاص، خم میشوند یا شکل خود را تغییر میدهند و میتوانند به عنوان ماهیچههای مصنوعی عمل کنند.
ساکار در پایان خاطرنشان میکند: «ما اصول اولیه طراحی را ارائه کردهایم. پژوهشهای بعدی این ایده را به سمت سامانههای عملیتر، کنترل دقیقتر و ناوبری خودکار هدایت خواهند کرد.»
نتایج کامل این پژوهش تحولآفرین در نشریه معتبر Science Advances منتشر شده و جامعه علمی آن را گامی مهم به سوی حذف موتور از دنیای میکرو و نانو توصیف کرده است.
دیدگاهها (0)
هنوز دیدگاهی ثبت نشده است.