Zusammenfassung:
Da elektronische Geräte immer weiter miniaturisiert werden, wächst die Nachfrage nach ultrakleinen Geräten in den Bereichen Medizin, Luft- und Raumfahrt und Sicherheit. Allerdings sind auch die Größenbeschränkungen herkömmlicher Batterien, Motoren und mechanischer Komponenten zu Hindernissen für eine weitere Verkleinerung von Mikrogeräten geworden. Das Labor für mikrobielle Robotersysteme an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz hat kürzlich eine neue Lösung vorgeschlagen: die Verwendung von Schall zur Stromversorgung von Mikrogeräten, um eine gerichtete Bewegung ohne Batterien und Motoren zu erreichen.
Die Technologie basiert auf der Helmholtz-Resonanz, dem physikalischen Phänomen, das ein summendes Geräusch verursacht, wenn Menschen Luft in den Mund einer Glasflasche blasen. Wenn die Schallfrequenz mit der natürlichen Schwingungsfrequenz der Luft in der Flasche übereinstimmt, vibriert die im Hohlraum eingeschlossene Luft stark. Das Forschungsteam wandte dieses Prinzip auf Mikrohohlraumstrukturen aus 3D-gedrucktem Kunststoff, Glas oder gummiähnlichen Polymeren an.
Unter der Wirkung von Schallwellen bildet die Vibration der Luft im Hohlraum einen konzentrierten Luftstrom, der nach außen gesprüht wird; während die Rückluft relativ verteilt ist. Die Asymmetrie zwischen den beiden Luftstromverteilungen erzeugt eine Schubkraft, die das Gerät bewegt. Im Gegensatz zu früheren Forschungen, bei denen externe Schallwellen verwendet wurden, um passive Objekte direkt zu „schieben“ oder Objekte durch akustische Levitation zu manipulieren, zielt die neue Lösung darauf ab, akustische Energie in der Umgebung zu sammeln und in mechanischen Schub umzuwandeln.
Um diese Idee zu testen, bauten die Forscher zunächst Mikroschiffe und ordneten auf jedem Schiff drei Hohlräume entsprechend unterschiedlichen Resonanzfrequenzen an. Durch Ändern der Frequenz der Schallwellen konnte das Team gezielt einen der Hohlräume aktivieren, um das Schiff in eine bestimmte Richtung zu schieben.
Anschließend baute das Team auch ein ultraleichtes „Mikroflugzeug“. Diese Art von Mikrodrohne wiegt nur 150 Mikrogramm und verfügt über drei winzige Hohlräume, die in ihren Körper integriert sind. Tests haben gezeigt, dass sich das Mikroflugzeug vorwärtsbewegen kann, wenn es von Ultraschallfrequenzen angetrieben wird, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind.
Ein anderes Design kombiniert akustische Hohlräume mit winzigen Propellerblättern. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der durch den Hohlraum erzeugte Schub ausreicht, um das Blatt auf eine Geschwindigkeit von 13.000 Umdrehungen pro Minute zu bringen. Zum Vergleich: Gewöhnliche Drohnenpropeller bewegen sich normalerweise nur in der Größenordnung von Tausenden Umdrehungen pro Minute.
Forscher gehen davon aus, dass diese Technologie in Zukunft die Entwicklung von Mikrogeräten und Robotern fördern wird, die keine herkömmlichen Batterien und Motoren benötigen. Durch die Konfiguration mehrerer akustischer Strukturen, die auf unterschiedliche Frequenzen im selben Gerät reagieren, können verschiedene Teile des Geräts aktiviert und unabhängig voneinander bewegt werden, was neue Designideen für flexible Mikroroboter und hochintegrierte Mikrogeräte bringt.
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