Forscher am MICROBS-Labor der EPFL haben eine neue Antriebsmethode für winzige Roboter entwickelt, die Schallwellen statt Motoren, Getriebe oder Batterien verwendet. Die in Science Advances veröffentlichte Arbeit zeigt hohle akustische Kavitäten, die Schall in gerichteten Schub umwandeln und so Miniaturboote und ultraleichte Flugzeuge zum Bewegen und Steuern befähigen.
Die Innovation basiert auf Helmholtz-Resonanz — derselben Physik, die Sound erzeugt, wenn man über den Hals einer Flasche bläst. Wenn Schallwellen Luft in einer sorgfältig geformten Kaverne erregen, wird die oszillierende Luft als konzentrierter Strahl herausgezwungen, während der einströmende Luftfluss diffuser ist. Dieses Ungleichgewicht erzeugt Schub.
Auf Zentimeterskala bauten die Forscher Miniaturboote mit bis zu drei Kavitäten, die jeweils auf eine andere hörbare Frequenz abgestimmt und so positioniert waren, das Boot in eine bestimmte Richtung zu stoßen. Durch Ändern der Schallwellenfrequenz von einem Lautsprecher konnten die Forscher verschiedene Kavitäten selektiv aktivieren, um die Boote zu bewegen, um Hindernisse herumzulenken und sie sogar für autonomes Navigieren zu programmieren.
Mit 3D-Nanodruck schufen die Forscher Microflier — ultraleichte Flugzeuge mit drei mikroskopischen Kavitäten, die direkt in ihre Polymerstrukturen integriert waren. Ein Design mit nur 150 Mikrogramm erzeugte direkten Aufwärtsschub wie eine Rakete. Ein anderes kombinierte Kavitäten mit winzigen Blättern, die mit bis zu 13.000 Umdrehungen pro Minute drehten und stabilen helikopterartigen Auftrieb erzeugten.
Da die Geräte auf hohlen Kavitäten statt Motoren oder magnetischen Komponenten basieren, können sie mit verschiedenen 3D-Druckmethoden extrem klein und leicht hergestellt werden. Die Forscher sagen, dass das Konzept mit noch weiterer Miniaturisierung kompatibel ist, was fortgeschrittene Designs ermöglichen könnte, die die Grenzen der Robotik und Luftfahrt verschieben.
Erstautor Junsun Hwang merkte an, dass mehrere schallreaktive Strukturen in ein einziges flexibles Gerät eingebaut werden könnten, von denen jede auf eine andere Frequenz reagiert. Dies könnte bestimmte Teile eines Geräts dazu bringen, sich zu bewegen, zu biegen oder zu vibrieren, was zu formveränderlichen Robotervorrichtungen führen könnte, die auf Schall reagieren.
Die Arbeit wurde vom Schweizerischen Regierungsstipendium für Exzellenz unterstützt und stellt einen Schritt in Richtung schallreaktiver robotischer Materie dar — Strukturen, die durch cleveres mechanisches Design statt elektronischer Komponenten in funktionale Maschinen transformiert werden können.
