Un microvolador de apenas 150 microgramos puede generar empuje ascendente únicamente a partir del sonido, gracias a tres cavidades huecas microscópicas impresas en su cuerpo de polímero. Es uno de varios drones y vehículos impulsados por sonido desarrollados por el laboratorio MicroBioRobotic Systems (MICROBS), cuyo trabajo se publica en Science Advances con el título "Acoustic resonators as wireless actuators in air for small-scale robots" (resonadores acústicos como actuadores inalámbricos en el aire para robots de pequeña escala). Junsun Hwang es el primer autor, y Selman Sakar, director del laboratorio, lideró el proyecto.
Cómo el zumbido de una botella se convierte en empuje
El diseño se basa en la resonancia de Helmholtz. Cuando el aire pasa por la abertura de una cavidad, como una botella de vidrio, el aire atrapado en su interior oscila de un lado a otro. A ciertas frecuencias la oscilación se intensifica mucho, y de ahí surge el zumbido característico de una botella al soplar sobre ella.
El equipo construyó cavidades huecas redondas y con forma de campana que aprovechan este efecto. Cuando las ondas sonoras excitan el aire del interior, el aire oscilante sale de la cavidad como un chorro concentrado. El aire que vuelve a entrar es más difuso. Ese desequilibrio produce un empuje neto capaz de impulsar un vehículo pequeño en una dirección.
Los enfoques anteriores usaban ondas sonoras para levitar objetos pasivos en el aire. En esos sistemas, el sonido empuja el objeto de un lado a otro. Aquí, en cambio, el propio objeto convierte el sonido en su fuerza propulsora. Sakar describe los dispositivos como resonadores acústicos sintonizados para aprovechar el sonido a frecuencias específicas y generar empuje direccional y movimiento controlado.
Las cavidades pueden fabricarse con varios materiales, entre ellos plásticos comunes de impresión 3D, polímeros similares al caucho y vidrio.
Botes sintonizados a distintas frecuencias
A escala centimétrica, los investigadores construyeron botes en miniatura con hasta tres cavidades. Cada cavidad estaba sintonizada a una frecuencia audible distinta y colocada para empujar el bote en una dirección determinada.
Un altavoz proporcionaba el sonido. Al cambiar la frecuencia emitida, el equipo elegía qué cavidad activar. Esto les permitió mover los botes, dirigirlos para esquivar obstáculos y programarlos para la navegación autónoma. La dirección dependía de la frecuencia elegida, no de hardware a bordo.
Microvoladores fabricados mediante nanoimpresión
Para los dispositivos más pequeños, el equipo empleó una técnica de nanoimpresión 3D para construir microvoladores. Se trata de vehículos voladores ultraligeros con tres cavidades microscópicas integradas directamente en su estructura de polímero. A diferencia de los botes, se accionaron con frecuencias ultrasónicas que el oído humano no percibe.
Los investigadores describen dos diseños. El primero, de 150 microgramos, usaba sus cavidades para producir empuje ascendente directo, al estilo de un cohete. El segundo combinaba las cavidades con diminutas aspas, que giraban hasta a 13 000 revoluciones por minuto y generaban una sustentación aerodinámica estable, similar a la de un helicóptero.
Lo que elimina el diseño y lo que viene después
Los dispositivos no tienen motores, engranajes ni componentes magnéticos. Dependen únicamente de cavidades huecas, por lo que pueden fabricarse muy pequeños y ligeros con distintos métodos de impresión 3D. Hwang afirma que el concepto es compatible con una miniaturización aún mayor, lo que permitiría diseños más avanzados en robótica y aeronáutica.
Sakar apunta a un posible siguiente paso: integrar varias estructuras sensibles al sonido en un único dispositivo flexible, cada una reaccionando a una frecuencia distinta. Así, partes específicas del dispositivo podrían moverse, doblarse o vibrar. Según él, esto podría dar lugar a dispositivos robóticos aerodinámicos que cambian de forma en respuesta al sonido.
Análisis: qué cambia y qué sigue sin demostrarse
La principal relevancia está en dónde ocurre la actuación. En la mayoría de los robots pequeños, el actuador es un componente separado, como un motor o un imán, y su masa y complejidad fijan un límite inferior al tamaño de la máquina. En estos drones impulsados por sonido, el actuador es la forma del propio cuerpo. Al eliminar el motor se elimina ese límite, y por eso es posible un volador de 150 microgramos.
El esquema de direccionamiento por frecuencia también es destacable. Cada cavidad responde a su propia frecuencia, de modo que una sola fuente de sonido puede comandar varias direcciones de empuje sin electrónica a bordo. Los botes lo demuestran de forma directa: tres cavidades, tres frecuencias y tres direcciones de empuje bastaron para esquivar obstáculos. Es una forma sencilla de control, e inalámbrica por diseño.
La comparación con la levitación acústica resulta útil. Las técnicas de levitación actúan desde fuera sobre objetos pasivos, de modo que el objeto no influye en cómo se mueve. Un vehículo basado en resonadores moldea su propia respuesta al campo sonoro. El trabajo publicado muestra que esta distinción produce movimiento controlable tanto en botes sobre la superficie del agua como en microvoladores en el aire.
Quedan varias preguntas abiertas que la fuente no responde. No ofrece cifras de carga útil, duración de vuelo, altitud ni de los niveles de sonido necesarios para elevar los microvoladores. Tampoco indica a qué distancia puede estar el altavoz del vehículo ni con qué precisión se puede dirigir un microvolador. Los botes se dirigieron y navegaron, pero los resultados de los microvoladores se describen en términos de empuje y sustentación, no de trayectorias de vuelo controladas. Estas lagunas importan, porque un dispositivo que requiere una fuente de sonido potente y cercana queda limitado al laboratorio o a entornos construidos a propósito.
Las estructuras que cambian de forma que describe Sakar son un objetivo declarado, no un resultado. No se ha informado de que el dispositivo flexible con múltiples resonadores se haya construido. La afirmación más sólida que respalda la evidencia es que las cavidades sintonizadas pueden actuar como actuadores inalámbricos a pequeña escala en el aire. Que estos drones impulsados por sonido puedan salir del laboratorio dependerá de los datos sobre potencia, alcance y control que el artículo aún debe aportar.