Riassunto:
Poiché le apparecchiature elettroniche continuano a essere miniaturizzate, la domanda di dispositivi ultra-piccoli nei settori medico, aerospaziale e della sicurezza è in crescita. Tuttavia, anche le limitazioni dimensionali delle batterie, dei motori e dei componenti meccanici tradizionali sono diventati ostacoli all’ulteriore riduzione dei microdispositivi. Il Laboratorio di sistemi robotici microbici presso la Scuola di Ingegneria dell’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera ha recentemente proposto una nuova soluzione: utilizzare il suono per alimentare microdispositivi per ottenere movimento direzionale senza batterie e motori.
La tecnologia si basa sulla risonanza di Helmholtz, il fenomeno fisico che provoca un ronzio quando le persone soffiano aria nella bocca di una bottiglia di vetro. Quando la frequenza del suono corrisponde alla frequenza di vibrazione naturale dell'aria all'interno della bottiglia, l'aria intrappolata nella cavità vibrerà fortemente. Il gruppo di ricerca ha applicato questo principio a strutture di micro-cavità realizzate in plastica stampata in 3D, vetro o polimeri simili alla gomma.
Sotto l'azione delle onde sonore, la vibrazione dell'aria all'interno della cavità formerà un flusso d'aria concentrato che verrà spruzzato verso l'esterno; mentre l'aria di ritorno è relativamente dispersa. L'asimmetria tra le due distribuzioni del flusso d'aria crea una forza di spinta che muove il dispositivo. A differenza della ricerca passata che utilizzava onde sonore esterne per “spingere” direttamente oggetti passivi o per manipolare oggetti attraverso la levitazione acustica, la nuova soluzione mira a raccogliere energia acustica nell’ambiente e convertirla in spinta meccanica.
Per testare questa idea, i ricercatori hanno prima realizzato delle micro-navi e hanno disposto tre cavità corrispondenti a diverse frequenze di risonanza su ciascuna nave. Cambiando la frequenza delle onde sonore, il team ha potuto attivare selettivamente una delle cavità per spingere la nave in una direzione specifica.
Successivamente, il team ha costruito anche un "microaereo" ultraleggero. Questo tipo di micro drone pesa solo 150 microgrammi e ha tre minuscole cavità integrate nel suo corpo. I test hanno dimostrato che il microaereo può avanzare se guidato da frequenze ultrasoniche non udibili dall’orecchio umano.
Un altro design combina cavità acustiche con minuscole pale dell'elica. I risultati sperimentali mostrano che la spinta generata dalla cavità è sufficiente a far raggiungere alla lama una velocità di 13.000 giri al minuto. Per fare un confronto, le normali eliche dei droni girano solitamente solo nell’ordine di migliaia di giri al minuto.
I ricercatori ritengono che questa tecnologia dovrebbe promuovere in futuro lo sviluppo di microdispositivi e robot che non richiederanno batterie e motori tradizionali. Configurando più strutture acustiche che rispondono a frequenze diverse nello stesso dispositivo, diverse parti del dispositivo possono essere attivate e muoversi in modo indipendente, portando nuove idee di progettazione a microrobot flessibili e microdispositivi altamente integrati.
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