Minidrones aangedreven door geluid

Onderzoekers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben een opmerkelijke aandrijving ontwikkeld voor kleine robots en ultralichte vliegende voertuigen. Geen elektromotoren, tandwielen of magneetaandrijving, maar holle akoestische resonatoren die geluidsgolven rechtstreeks omzetten in stuwkracht.

Het principe is gebaseerd op Helmholtz-resonantie, een verschijnsel dat ook optreedt wanneer je over de opening van een fles blaast. De lucht in de holle ruimte gaat daarbij oscilleren en bij bepaalde frequenties wordt die beweging sterk versterkt.

Onderzoekers van het MicroBioRobotic Systems (MICROBS) Lab van EPFL hebben dit bekende natuurkundige verschijnsel nu benut om kleine mechanische structuren in beweging te brengen. De resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances.

Van geluid naar gerichte stuwkracht

De onderzoekers ontwikkelden ronde en klokvormige holtes die als akoestische resonator functioneren. Wanneer geluidsgolven de lucht in zo’n holte op de juiste frequentie in trilling brengen, wordt de oscillerende lucht als een geconcentreerde straal naar buiten gedreven. De lucht die de resonator instroomt, is juist veel diffuser. Het verschil tussen beide luchtstromen resulteert in een netto stuwkracht.

Daarmee wijkt het concept af van technieken waarbij geluid wordt gebruikt om een passief object bijvoorbeeld te laten zweven. Hier vormt de akoestische resonator zelf de actuator: het onderdeel zet de van buitenaf toegevoerde akoestische energie om in een gerichte beweging.

Volgens onderzoeksleider Selman Sakar zijn de resonatoren specifiek af te stemmen op bepaalde geluidsfrequenties. Hierdoor kunnen verschillende actuatoren afzonderlijk worden geactiveerd door simpelweg de aangeboden frequentie te veranderen.

Sturen met verschillende frequenties

Op centimeterschaal demonstreerden de onderzoekers het principe met kleine bootjes. Deze kregen maximaal drie resonatoren mee, die ieder op een andere hoorbare frequentie waren afgestemd en in verschillende richtingen stuwkracht leverden.

Door de frequentie van een externe luidspreker te veranderen, kon telkens een andere resonator worden geactiveerd. Zo konden de onderzoekers de bootjes vooruit laten bewegen, sturen en om obstakels heen manoeuvreren. Ook autonome navigatie werd gedemonstreerd.

Interessant vanuit aandrijftechnisch oogpunt is dat daarvoor op het voertuig zelf geen conventionele actuator nodig is. De energie en het stuursignaal worden als geluid aangeboden, terwijl de geometrie van de resonator bepaalt welke frequentie in mechanische beweging wordt omgezet.

Vliegen met ultrasoon geluid

Nog kleiner wordt het bij de zogenoemde microfliers. Met behulp van 3D-nanoprinten vervaardigde het team ultralichte vliegende structuren waarin drie microscopische resonatoren rechtstreeks in de polymeerconstructie zijn geïntegreerd. In tegenstelling tot de bootjes worden deze microdrones aangedreven met ultrasone frequenties, die voor mensen niet hoorbaar zijn.

Een van de ontwerpen weegt maar 150 microgram. De geïntegreerde resonatoren leveren daarbij rechtstreeks een opwaartse stuwkracht, vergelijkbaar met het principe van een raket. Bij een tweede uitvoering werden de resonatoren gecombineerd met zeer kleine rotorbladen. De akoestische aandrijving liet deze bladen draaien met snelheden tot 13.000 omwentelingen per minuut. Daarmee ontstaat een stabiele, helikopterachtige aerodynamische lift.

Eenvoud

Een belangrijk voordeel van het concept is de eenvoud. De aandrijving vereist op de robot zelf geen elektromotor, tandwielkast of magnetische componenten. De resonator is in essentie een slim ontworpen holle mechanische structuur.

Daardoor kan de actuator zeer klein en licht worden uitgevoerd. Bovendien kunnen de structuren uit uiteenlopende materialen worden vervaardigd, waaronder gangbare 3D-printkunststoffen, rubberachtige polymeren en glas.

Volgens de onderzoekers leent het principe zich voor verdere miniaturisering. Daarmee zou akoestische aandrijving interessant kunnen worden voor toepassingen waarbij het gewicht en de afmetingen van conventionele actuatoren een beperkende factor vormen.

‘Luisteren’ naar geluid

De onderzoekers kijken bovendien verder dan alleen voortstuwing. In de toekomst zouden meerdere resonatoren in één flexibele constructie kunnen worden geïntegreerd, waarbij iedere resonator op een andere frequentie reageert.

Met verschillende geluidsfrequenties zouden vervolgens afzonderlijke delen van zo’n constructie kunnen bewegen, buigen of trillen. Daarmee ontstaat in feite een mechanische structuur waarin de actuatie al in het materiaal of onderdeel zelf is ingebouwd.

Voor bijvoorbeeld microrobotica en luchtvaartconstructies opent dat interessante mogelijkheden: constructies die zonder afzonderlijke motoren of lokale elektronica van vorm kunnen veranderen, aangestuurd door niets anders dan de juiste geluidsfrequentie.