スイスのローザンヌ連邦工科大学（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）のエンジニアたちは、基本的な音波を強力な方向性推力に変換する方法を成功裏に解明しました。この技術は、内蔵の電動機、バッテリー、電子機器、またはギアを必要としない機能的なマイクロマシンを生み出す可能性があります。この技術は、ヘルムホルツ共鳴の物理原理を利用しており、ヘルムホルツ共鳴はボトルネックを越えて吹き込むことで生じるブンブン音の物理現象です。この共鳴では、音が空気を振動させ、キャビティ内に閉じ込められた空気が刺激され、気流の不均衡を生じさせ、推進力を生成します。
この進展により、小型船舶や超軽量航空機は、外部電源なしで中空音響キャビティを通じて推進できるようになるかもしれません。初期の音響浮遊法と比較して、EPFLの技術は3Dプリントされた中空キャビティに依存しており、集中した空気のジェットを排出することで音波を自生推力に変換します。
EPFLの音波推進技術がマイクロロボットの新たな可能性を示す
MICROBSラボの主著者で博士課程の学生である黄俊孫（Junsun Hwang）は、「私たちのコンセプトはさらなる小型化に対応可能で、より高度な設計を実現し、ロボティクスと航空学の境界を押し広げることができます」と述べています。これらの音波駆動の船舶は、この技術の潜在能力を示しています。もしあなたが空のガラス瓶の上部に息を吹きかけたことがあるなら、その音に馴染みがあるでしょう：低く心地よいブンブン音が部屋全体に響き渡ります。これは単純なパーティートリックのように聞こえますが、この同じ物理現象がマイクロロボットの飛行、浮遊、そして複雑な環境でのナビゲーションの方法をすぐに変えるかもしれません。
この新しい研究では、ヘルムホルツ共鳴が効果的に入ってくる音を自推進の推力に変換します。
音波は球形または鐘形の構造内の空気を振動させ、拡散する気流を引き込み、それを集中した高速のジェットとして排出します。この気流の不均衡により、完全に受動的な材料が内蔵電源や電子機器なしで方向性のある動きを生み出すことが可能になります。EPFLチームは、自律的に動くことができる受動材料を構築しました。「私たちが作成した音響共鳴器は特定の周波数に調整され、方向性の推力を生成し、動きを制御します。これは音波でデバイスを推進するのではなく、単純で巧妙に設計された機械要素を機械材料に変換する可能性を示しています。」
ラボの責任者であるセルマン・サカール（Selman Sakar）は述べています。
設計を検証するために、研究者たちは2つのスケールでプロトタイプを製作しました：可聴音周波数で駆動されるセンチメートル級のミニ船と、高周波超音波で推進されるマイクロ飛行機です。センチメートル級のスケールでは、研究者たちは可聴周波数を使用してミニ船を制御し、単一のキャビティを活性化して舵向きとナビゲーションを行いました。微視的なスケールでは、超音波駆動のマイクロ飛行機が印象的な能力を示し、150マイクログラムのマイクロロケットが直接的な上昇を実現し、別のバリエーションでは小型ブレードが毎分13,000回転に達し、ヘリコプターのような飛行を実現しました。
完全に電源を排除した設計は、ロボット設計のルールを根本的に変えます。バッテリーは追加の重量によって性能を低下させ、電動機は機械的摩耗や故障に悩まされ、複雑な電子機器は微視的なスケールに縮小すると単純に故障します。一方、音響キャビティは標準的なプラスチック、ゴムポリマー、またはガラスを使用して3Dナノプリントすることができます。将来の設計は、複数の調整されたキャビティを柔軟でしなやかな材料に埋め込むことを目指しています。この技術は音声駆動のマイクロロボットに応用可能で、医療、環境モニタリング、宇宙探査などの分野で利用されるでしょう。バッテリーを必要としない設計は、電気火花や有毒漏れのリスクを排除する可能性があるため、工業パイプラインや危険区域の検査にも使用できます。
この研究結果は『サイエンス・アドバンシズ』（Science Advances）誌に発表されました。