Роботы без моторов: инженеры заставили механизмы двигаться силой звука

Ученые использовали принцип резонанса Гельмгольца, знакомый каждому, кто дул в пустую бутылку. Миниатюрные резонаторы превращают ультразвук в реактивную струю воздуха, способную двигать лодки и поднимать в воздух микролетательные аппараты.

Если подуть поперек горлышка пустой бутылки, можно услышать чистый, устойчивый звук. Теперь инженеры использовали тот же принцип, чтобы привести в движение крошечных роботов, у которых на борту нет ни одного мотора.

Эти новые устройства приводятся в движение исключительно звуком. Когда на них направляют звук нужной частоты, встроенные в их конструкцию полые камеры резонируют и выталкивают струю воздуха, создавая достаточную тягу, чтобы управлять небольшой лодкой или поднять в воздух крошечного летающего робота.

Ученые описали свою разработку в исследовании, опубликованном 12 августа в журнале Science Advances.

Настроечный трюк XIX века в миниатюре

Эффект, лежащий в основе устройства, известен как резонанс Гельмгольца. Впервые его исследовал в 1856 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц, пытавшийся изобрести инструмент для настройки музыкальных инструментов. Он заметил, что воздух, заключенный в полости и резонирующий, выталкивает также слабую струю воздуха.

«В музыкальном инструменте это не очень мощно, потому что давление низкое, — сказал соавтор исследования Сельман Сакар, доцент кафедры машиностроения Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии. — Но если поднять давление, эта струя внезапно может стать значительной… настолько, что силу можно использовать для приведения в действие механизмов», — рассказал он Live Science.

Команда поняла, что уменьшение резонаторов Гельмгольца сдвигает частоту, необходимую для их активации, в ультразвуковой диапазон — то есть слишком высокий для человеческого уха и, что важно, легче фокусируемый с точностью. Более крупные версии, создающие ту же силу, потребовали бы слышимого звука настолько громкого, что он был бы и раздражающим, и потенциально вредным, отметил Сакар.

Используя специализированную технику 3D-печати, называемую двухфотонной печатью, исследователи создали полые структуры на основе оригинальных уравнений Гельмгольца и подтвердили лабораторными тестами и компьютерными симуляциями, что они генерируют тягу, как и предсказывалось.

Лодки, ракеты и крошечные вертолеты

Команда построила небольшие лодки длиной около 2 дюймов (5 сантиметров), оснащенные несколькими резонаторами, каждый из которых настроен на свою частоту и направлен в свою сторону. Изменяя высоту звука из ближайшего динамика, исследователи могли направлять лодки влево, вправо или прямо.

В гораздо меньшем масштабе — некоторые устройства имели поперечник всего 0,04 дюйма (1 миллиметр) — команда также построила «микролетателей», создававших подъемную силу двумя разными способами: одни толкали тягу вниз, как ракета, но используя для этого воздух, а другие вращали крошечные прикрепленные лопасти, чтобы летать как вертолет, используя звуковые волны для вращения лопастей.

У технологии есть преимущество перед обычными способами генерации энергии: ее можно строить в чрезвычайно малых масштабах, отметил Сакар. У обычных моторов есть «фундаментальный предел» миниатюризации из-за физических компонентов — магнитов, катушек и валов, — необходимых для работы двигателя. А поскольку эти резонаторы — просто точно сформированные полые камеры, сопоставимого предела для их уменьшения нет.

Исследователи отметили в статье, что тот же принцип в перспективе можно использовать для точного вращения и манипулирования небольшими объектами в воздухе без прикосновения к ним или для создания мягких гибких поверхностей, которые изгибаются и меняют форму по команде, «услышав» определенную частоту. Это может найти применение в биомедицине, например, для сердечных стентов.

Пока же исследование — фундамент, на котором команда будет строить дальнейшую работу, сказал Сакар. «Эта статья, я думаю, важна в том смысле, что мы изложили принципы проектирования», — добавил он, отметив, что последующая работа может сосредоточиться на более прикладных конструкциях, системах управления или навигации.

Звук как двигатель: от музыкального тона к инженерной революции

Идея использовать звук для механической работы не нова, но до сих пор ее применение ограничивалось лабораторными демонстрациями. Работа команды EPFL примечательна тем, что впервые переводит этот принцип в практическую плоскость: устройства, напечатанные на 3D-принтере, уже способны двигаться и управляться.

Ключевое преимущество подхода — отсутствие движущихся частей и материалов, подверженных износу. Обычный электромотор миниатюрного размера сталкивается с проблемами трения, нагрева и сложности сборки. Резонатор же — это просто полость точной формы, которую можно напечатать целиком, без смазки, подшипников и магнитов.

Перспективы применения выходят далеко за пределы игрушечных лодочек. Микророботы, управляемые ультразвуком, в будущем могли бы перемещаться внутри человеческого тела — например, доставлять лекарства к пораженным тканям или проводить микрохирургические операции. Ультразвук уже широко используется в медицине для диагностики, и возможность применять его же для управления устройствами внутри организма открывает новые горизонты.

Другое направление — мягкая робототехника. Поверхности, меняющие форму по звуковой команде, могут стать основой для адаптивных имплантатов, умной одежды или устройств, способных захватывать хрупкие предметы без риска их повредить.

Впереди у исследователей много работы: нужно научиться точно наводить ультразвуковые лучи на движущиеся объекты, разработать системы навигации и увеличить полезную нагрузку. Но фундаментальный принцип уже доказан: звук может быть не только носителем информации, но и источником движения.

Источники: Hwang, J., Angéloz, Q., Murugan, A. S., Lissek, H., & Sakar, M. S. (2026). Acoustic resonators as wireless actuators in air for small-scale robots. Science Advances, 12(33), eaef5620. DOI: 10.1126/sciadv.aef5620; комментарии Сельмана Сакара для Live Science.