Un microvelivolo da 150 microgrammi riesce a generare spinta verso l'alto usando solo il suono, grazie a tre cavità cave microscopiche stampate nel suo corpo in polimero. È uno dei vari droni e veicoli a propulsione sonora sviluppati dal MicroBioRobotic Systems (MICROBS) Lab, il cui lavoro è pubblicato su Science Advances con il titolo "Acoustic resonators as wireless actuators in air for small-scale robots". Il primo autore è Junsun Hwang, mentre a guidare il progetto è stato Selman Sakar, responsabile del laboratorio.
Come il suono di una bottiglia diventa spinta
Il progetto si basa sulla risonanza di Helmholtz. Quando l'aria scorre sull'apertura di una cavità, come quella di una bottiglia di vetro, l'aria intrappolata all'interno oscilla avanti e indietro. A determinate frequenze l'oscillazione si amplifica notevolmente, producendo il caratteristico suono di una bottiglia in cui si soffia.
Il team ha realizzato cavità cave di forma tonda e a campana che sfruttano questo effetto. Quando le onde sonore mettono in vibrazione l'aria all'interno, l'aria oscillante esce dalla cavità sotto forma di getto concentrato. L'aria che rientra, invece, è più diffusa. Questo squilibrio produce una spinta netta, in grado di far avanzare un piccolo veicolo in una direzione.
Gli approcci precedenti usavano le onde sonore per far levitare oggetti passivi a mezz'aria. In quei sistemi è il suono a spostare l'oggetto. Qui, invece, è l'oggetto stesso a convertire il suono in una propria forza propulsiva. Sakar descrive i dispositivi come risonatori acustici accordati per sfruttare il suono a frequenze specifiche, così da produrre spinta direzionale e movimento controllato.
Le cavità possono essere realizzate con vari materiali, tra cui le comuni plastiche per la stampa 3D, polimeri simili alla gomma e il vetro.
Barche accordate su frequenze diverse
Su scala centimetrica, i ricercatori hanno costruito piccole imbarcazioni dotate fino a tre cavità. Ogni cavità era accordata su una diversa frequenza udibile e posizionata in modo da spingere la barca in una direzione precisa.
Il suono proveniva da un altoparlante. Cambiando la frequenza emessa, il team sceglieva quale cavità attivare. Così è stato possibile muovere le barche, farle aggirare gli ostacoli e programmarle per la navigazione autonoma. Lo sterzo dipendeva dalla scelta della frequenza, non da componenti di bordo.
Microvelivoli realizzati con la nanostampa
Per i dispositivi più piccoli, il team ha impiegato una tecnica di nanostampa 3D per costruire microvelivoli. Si tratta di veicoli volanti ultraleggeri con tre cavità microscopiche integrate direttamente nella struttura in polimero. A differenza delle barche, sono stati azionati a frequenze ultrasoniche, non udibili dall'orecchio umano.
I ricercatori descrivono due configurazioni. La prima, da 150 microgrammi, usava le cavità per produrre una spinta diretta verso l'alto, come un razzo. La seconda abbinava le cavità a minuscole pale, che ruotavano fino a 13.000 giri al minuto e generavano una portanza aerodinamica stabile, simile a quella di un elicottero.
Cosa elimina questo progetto e cosa potrebbe arrivare
I dispositivi non hanno motori, ingranaggi né componenti magnetici. Si basano soltanto su cavità cave, quindi possono essere molto piccoli e leggeri e realizzabili con diversi metodi di stampa 3D. Secondo Hwang, il concetto si presta a un'ulteriore miniaturizzazione, che permetterebbe progetti più avanzati in robotica e in ambito aeronautico.
Sakar indica un possibile passo successivo: integrare in un unico dispositivo flessibile più strutture sensibili al suono, ciascuna reattiva a una frequenza diversa. In questo modo parti specifiche del dispositivo potrebbero muoversi, piegarsi o vibrare. Secondo Sakar, questo potrebbe portare a dispositivi robotici aerodinamici capaci di cambiare forma in risposta al suono.
Analisi: cosa cambia e cosa resta da dimostrare
Il punto chiave è dove avviene l'attuazione. Nella maggior parte dei piccoli robot l'attuatore è un componente separato, come un motore o un magnete, e la sua massa e complessità fissano un limite alle dimensioni minime della macchina. In questi droni a propulsione sonora l'attuatore è la forma stessa del corpo. Eliminare il motore elimina quel limite, ed è per questo che un velivolo da 150 microgrammi è possibile.
Anche lo schema di indirizzamento in frequenza è degno di nota. Ogni cavità risponde alla propria frequenza, quindi una sola sorgente sonora può comandare più direzioni di spinta senza alcuna elettronica di bordo. Le barche lo mostrano in modo diretto: tre cavità, tre frequenze e tre direzioni di spinta sono bastate per aggirare gli ostacoli. È una forma semplice di controllo, ed è wireless per costruzione.
Il confronto con la levitazione acustica è utile. Le tecniche di levitazione agiscono dall'esterno su oggetti passivi, che non hanno voce in capitolo su come si muovono. Un veicolo basato su risonatori modella invece la propria risposta al campo sonoro. Il lavoro dimostra che questa differenza permette un movimento controllabile sia nelle barche sulla superficie dell'acqua sia nei microvelivoli in aria.
Restano aperte diverse questioni a cui la fonte non risponde. Non fornisce dati su carico utile, durata del volo, quota o livelli sonori necessari per sollevare i microvelivoli. Non indica a quale distanza possa stare l'altoparlante dal veicolo, né con quale precisione si possa guidare un microvelivolo. Le barche sono state guidate e fatte navigare, ma per i microvelivoli si parla di spinta e portanza, non di traiettorie di volo controllate. Sono lacune che contano, perché un dispositivo che richiede una sorgente sonora potente e vicina resta confinato al laboratorio o ad ambienti appositamente progettati.
Le strutture capaci di cambiare forma descritte da Sakar sono un obiettivo dichiarato, non un risultato. Il dispositivo flessibile a più risonatori non risulta ancora realizzato. L'affermazione più solida supportata dalle prove è che cavità accordate possono fungere da attuatori wireless su piccola scala in aria. Se questi droni a propulsione sonora potranno uscire dal laboratorio dipenderà dai dati su potenza, portata e controllo che lo studio dovrà ancora fornire.