- 瑞士工程師開發無需電池的音波推進技術。
- 該技術利用赫爾姆霍茲共振原理產生推力。
- 聲波驅動的微型機器人可應用於多個領域。
- 完全去除電源的設計改變機器人設計規則。
瑞士洛桑聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）的工程師們成功解鎖了一種將基本聲波轉化為強大定向推力的方法。這項技術可能創造出無需內置電動機、電池、電子設備或齒輪的功能性微型機器。該技術利用赫爾姆霍茲共振的物理原理，赫爾姆霍茲共振是吹氣跨越瓶頸所產生的嗡嗡聲的物理現象。在這種共振中，聲音使得困在腔體內的空氣激發，產生氣流不平衡，從而生成推進力。
新技術的推進原理
這項發展可能使小型船隻和超輕型航空器在沒有外部電源的情況下，僅通過中空聲學腔體推進。與早期的聲學懸浮方法相比，EPFL 的技術依賴於 3D 打印的中空腔體，通過排出集中空氣噴流將聲波轉化為自生推力。
MICROBS 實驗室的首席作者及博士生黃俊孫（Junsun Hwang）表示：「我們的概念兼容進一步的小型化，能夠實現更先進的設計，推動機器人技術和航空學的邊界。」這些聲音驅動的船隻展示了這項技術的潛力。若您曾經在空玻璃瓶的頂部吹氣，您會熟悉那種聲音：一種低沉而悦耳的嗡嗡聲，充滿整個房間。這聽起來像是一個簡單的聚會把戲，但這一相同的物理現象可能很快會改變微型機器人的飛行、漂浮和在複雜環境中導航的方式。
在這項新研究中，赫爾姆霍茲共振有效地將進入的聲音轉化為自推進的推力。
聲波使得球形或鐘形結構內的空氣振蕩，拉入擴散的氣流並將其以集中、高速的噴流排出。這種氣流不平衡使得完全被動的材料能夠在沒有內置電源或電子設備的情況下產生定向運動。EPFL 團隊建立了被動材料，這些材料能夠自主運動。「我們創建的聲學共振器調整到特定頻率，以產生定向推力和控制運動，而不是用聲波推動設備。這項工作展示了將一個簡單且巧妙設計的機械元件轉化為機器材料的可行性。」
實驗室負責人塞爾曼·薩卡爾（Selman Sakar）表示。
為了驗證設計，研究人員在兩個比例上製作了原型：以可聽聲頻率驅動的釐米級迷你船和由高頻超聲波推進的微型飛行器。在釐米級的比例上，研究人員使用可聽頻率控制迷你船，激活單個腔體進行舵向和導航。在微觀比例上，超聲波驅動的微型飛行器展示了令人印象深刻的能力，其中一款 150 微克的微型火箭實現了直接的向上提升，另一款變體則使小型刀片旋轉達到每分鐘 13,000 轉，實現直升機式的飛行。
無需電源的設計優勢
完全去除電源的設計徹底改變了機器人設計的規則。電池因額外重量而降低性能，電動機會遭受機械磨損和故障，而複雜的電子設備在縮小到微觀尺度時會簡單地故障。另一方面，聲學腔體可以使用標準塑料、橡膠聚合物或玻璃進行 3D 納米打印。未來的設計旨在將多個調諧腔體嵌入柔軟、靈活的材料中。這項技術可用於音聲驅動的微型機器人，應用範圍涵蓋醫療、環境監測和太空探索。無需電池的設計也可能消除電氣火花或有毒泄漏的風險，因此可用於檢查工業管道和危險區域。
該研究結果已發表於《科學進展》（Science Advances）期刊。
音波推進技術的潛在應用與影響
這項音波推進技術的突破有可能在微型機器人領域引發革命，因為它消除了對電池和電動機的依賴。這不僅降低了機器人的設計複雜性，還提升了其在醫療、環境監測及太空探索等多個應用領域的潛力。此外，無需電源的設計可減少故障風險，並提高操作安全性，特別是在危險環境中。這項技術的發展標誌著機器人技術的一個重要進步，可能會推動未來的創新。