Sveitsiläisen EPFL:n tutkijat ovat kehittäneet mikroskooppisen lentolaitteen, joka ei tarvitse omaa moottoria tai elektroniikkaa. Vain 150 mikrogrammaa painava mikrodrooni saa työntövoimansa ultraäänestä.
Ratkaisu perustuu Helmholtzin resonanssiin, samaan fysikaaliseen ilmiöön, joka saa esimerkiksi pullon humisemaan, kun sen suuaukon yli puhalletaan. EPFL:n MicroBioRobotic Systems eli MICROBS-laboratorion tutkijat ovat nyt valjastaneet ilmiön pienten robottien langattomaksi toimilaitteeksi.
Tutkijat valmistivat onttoja pyöreitä ja kellomaisia rakenteita, jotka resonoivat tietyllä äänitaajuudella. Kun ääniaalto saa ontelon sisällä olevan ilman värähtelemään, ilma purkautuu aukosta keskitettynä suihkuna. Sisään virtaava ilma puolestaan jakautuu laajemmalle alueelle. Virtausten epäsymmetria synnyttää suunnatun työntövoiman.
Tutkijat osoittivat tekniikan toiminnan ensin senttimetriluokan pienoisveneillä. Niihin sijoitettiin enimmillään kolme eri taajuuksille viritettyä onteloa, joista kukin tuotti työntövoimaa eri suuntaan. Kaiuttimen taajuutta vaihtamalla voitiin valita aktivoitava resonaattori ja siten ohjata veneen kulkusuuntaa.
Lentäviä mikrorobotteja varten rakenteet valmistettiin 3D-nanotulostuksella. Polymeeristä valmistettuihin mikrodrooneihin integroitiin kolme mikroskooppista resonanssionteloa. Veneistä poiketen niitä käytettiin ihmiskorvan kuuloalueen ulkopuolella olevalla ultraäänellä.
Yksi tutkijoiden rakentamista lentolaitteista painoi vain 150 mikrogrammaa. Sen resonaattorit tuottivat suoraan ylöspäin suuntautuvan työntövoiman rakettimoottorin tapaan.
Toisessa versiossa akustiset resonaattorit yhdistettiin pieniin siipiin. Ääni sai siivet pyörimään jopa 13 000 kierroksen minuuttinopeudella, jolloin laite tuotti helikopterin tapaan aerodynaamisen nostovoiman.
Tekniikan etuna on rakenteen yksinkertaisuus. Lentolaitteeseen ei tarvita sähkömoottoria, hammaspyöriä, magneettisia komponentteja tai omaa elektroniikkaa. Resonaattorit voidaan lisäksi valmistaa useista materiaaleista, kuten tavallisista 3D-tulostusmuoveista, elastomeereista ja lasista. Lisäksi tutkijoiden mukaan tekniikkaa voidaan pienentää edelleen. Tulevaisuudessa samaan joustavaan rakenteeseen voitaisiin integroida useita eri taajuuksille viritettyjä resonaattoreita. Äänitaajuutta vaihtamalla rakenteen eri osia voitaisiin saada liikkumaan, taipumaan tai värähtelemään toisistaan riippumatta.
Tutkimus on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.
