Zwitserse onderzoekers hebben minuscule vliegende robots ontwikkeld die geen motor, tandwielen of elektronica aan boord nodig hebben. In plaats daarvan gebruiken ze geluidsgolven om stuwkracht te genereren. De techniek kan nieuwe mogelijkheden bieden voor extreem kleine robots.
Geluid als aandrijving
Onderzoekers van de École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) hebben een bijzondere manier ontwikkeld om kleine robots te laten bewegen: met geluid. Ze bouwden holle structuren die geluidsgolven omzetten in een gerichte luchtstroom en daarmee stuwkracht produceren. Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances.
De techniek is gebaseerd op het zogenaamde Helmholtz-resonantie-effect. Dat kennen we bijvoorbeeld van een fles waarover je blaast: de lucht in de holte gaat bij een bepaalde frequentie sterk heen en weer bewegen. De onderzoekers hebben dit principe omgezet in een kleine mechanische aandrijving. Wanneer geluid de lucht in een speciaal gevormde holte laat resoneren, wordt lucht als een geconcentreerde straal naar buiten geduwd. Daardoor ontstaat een kracht die een robot kan voortbewegen.
Kleine bootjes
De EPFL-onderzoekers demonstreerden hun techniek eerst met kleine bootjes. Die kregen maximaal drie akoestische resonatoren, waarbij iedere resonator op een andere hoorbare frequentie was afgestemd. Door de frequentie van een luidspreker te veranderen, konden de onderzoekers verschillende resonatoren afzonderlijk activeren.
Op die manier konden de bootjes vooruit bewegen, van richting veranderen en zelfs om obstakels heen varen. Volgens de onderzoekers kan de methode daarmee ook worden gebruikt om kleine robots draadloos aan te sturen.
Vervolgens maakten de onderzoekers de techniek nog veel kleiner. Met behulp van 3D-nanoprinten bouwden ze zogenoemde microfliers: ultralichte vliegende robots waarin drie microscopische holtes rechtstreeks in de kunststof constructie zijn verwerkt. Bij deze vliegende varianten wordt gebruikgemaakt van ultrasoon geluid, dat voor mensen niet hoorbaar is.
Een van de ontwerpen weegt slechts 150 microgram. De akoestische holtes zorgen daarbij rechtstreeks voor opwaartse stuwkracht, vergelijkbaar met de werking van een kleine raket. Een ander ontwerp combineert de resonatoren met minuscule rotorbladen. Die kunnen tot 13.000 omwentelingen per minuut maken en zorgen voor een stabiele, helikopterachtige vlucht.
Interessant voor microrobots
De praktische waarde van de techniek zit vooral in de enorme schaalverkleining die mogelijk wordt. Een gewone drone heeft een motor, bewegende onderdelen, elektronica, een batterij en vaak ook een ingewikkelde besturing nodig. Op zeer kleine schaal nemen dergelijke onderdelen relatief veel ruimte en gewicht in beslag.
De akoestische aandrijving heeft daar veel minder last van. De holtes kunnen rechtstreeks onderdeel zijn van de robot en worden gemaakt met verschillende 3D-printtechnieken. Daardoor zijn geen motoren, tandwielen of magnetische onderdelen nodig. Volgens EPFL kan de techniek bovendien nog verder worden verkleind.
Dat maakt de technologie vooral interessant voor microrobotica. Denk aan extreem kleine robots die in moeilijk bereikbare omgevingen moeten kunnen bewegen. Voor consumentendrones is deze technologie voorlopig niet praktisch: de prototypes zijn vooral bedoeld om het werkingsprincipe te demonstreren en hebben nog geen ruimte of draagvermogen voor bijvoorbeeld een camera of andere nuttige apparatuur.
Een interessant toekomstig toepassingsgebied is het bouwen van robots die op verschillende geluidsfrequenties reageren. Meerdere resonatoren kunnen namelijk ieder op een eigen frequentie worden afgestemd. De onderzoekers voorzien zelfs flexibele robots waarin verschillende onderdelen onafhankelijk kunnen bewegen, buigen of trillen wanneer een bepaalde frequentie wordt uitgezonden. Zo zou geluid niet alleen voor de aandrijving, maar ook voor de besturing en vormverandering van kleine robots kunnen worden gebruikt.
Nog experimenteel
Voorlopig gaat het dus vooral om fundamenteel onderzoek. De microfliers zijn nog geen zelfstandige drones die we binnenkort in huis of buiten kunnen gebruiken. Ze zijn afhankelijk van een externe geluidsbron en kunnen slechts zeer weinig gewicht meenemen.
Toch is de ontwikkeling interessant. Juist wanneer robots steeds kleiner worden, lopen traditionele aandrijvingen tegen fysieke grenzen aan. EPFL laat zien dat een zorgvuldig ontworpen, bewegingsloze constructie met behulp van geluid toch een bruikbare kracht kan opwekken. Daarmee kan geluid in de toekomst een onverwachte rol gaan spelen in de ontwikkeling van microrobots.
Wat betekent dit voor HCC-leden?
Voor de gemiddelde computer- en dronehobbyist verandert er voorlopig weinig. Deze technologie staat nog aan het begin en is niet bedoeld als alternatief voor de motoren van bestaande drones. Wel laat het onderzoek zien hoe snel robotica zich ontwikkelt en hoe nieuwe technieken uit de natuurkunde kunnen worden gecombineerd met moderne 3D-printtechnieken. Voor HCC-leden die geïnteresseerd zijn in robotica, 3D-printen en elektronica vormt dit een interessant kijkje in de toekomst.
Standpunt van HCC
HCC vindt ontwikkelingen waarbij technologie kleiner, efficiënter en veelzijdiger wordt interessant, zeker wanneer verschillende technologiegebieden samenkomen. De geluidsgestuurde microfliers van EPFL zijn voorlopig vooral een wetenschappelijk experiment, maar ze laten goed zien dat de klassieke combinatie van motor, batterij en elektronica niet de enige manier is om een robot te laten bewegen. Het wordt interessant om te volgen of deze aanpak uiteindelijk leidt tot praktische toepassingen in microrobotica.
