پژوهشگران مؤسسه پلیتکنیک فدرال لوزان (EPFL) موتوری صوتی چاپشده توسعه دادهاند که با بهرهگیری از فرکانسهای تشدیدی، هوای داخل یک حفرهٔ سهبعدی را به حالت انرژیمند درآورده و از آن رانش تولید میکند. این روش زمینهساز ساخت ریزپهپاد بیصدا است که میتواند شناوری و حرکت را بدون تولید صدای مرئی برای گوش انسان فراهم کند.
طراحی و مکانیزم عملکرد
محققان در آزمایشگاه سامانههای میکروبیوروباتیک (MICROBS) حفرههایی طراحی کردند که در فرکانسهای مشخص رزونانس میکنند و مولکولهای هوا را به نوسان قویتری وادار میسازند. جریان هوا پس از تمرکز از طریق نازل شتاب میگیرد و به جت تبدیل میشود. این سازهها بهنوعی رزوناتورهای آکوستیکی هستند که انرژی ارتعاشی را به رانش جهتدار تبدیل میکنند. اطلاعات بیشتر دربارهٔ مؤسسهٔ سازنده در این لینک موجود است: EPFL در ویکیپدیا.
نمونههای ساختهشده
تیم سازنده سه نمونه کاربردی ارائه داد که نشاندهندهٔ ظرفیتهای مختلف این مفهوم هستند:
- قایق نیروبخش: سه طنینساز دارد؛ یکی در عقب تنظیمشده روی حدود 540 هرتز برای تولید رانش و دو تای دیگر در طرفین برای کنترل جهت.
- ریزپرندهٔ اول: سه حفرهٔ رو به پایین دارد و ساختار آن مشابه پرتاب موشک از سطح است؛ برای جدا شدن از سطح از رانش متمرکز بهره میبرد.
- ریزپرندهٔ دوم: دارای سه تیغه است که از نقطهای مرکزی متصلاند و پایهٔ هر تیغه مجهز به یک رزوناتور رو به عقب است. هنگامی که هر رزوناتور با فرکانس دقیق تحریک میشود، تیغهها تا بیش از 12000 دور در دقیقه میچرخند و سازه شناور میشود.
نقطهٔ قوت این سیستم استفاده از فرکانسهای فراصوت در نمونههای پروازی است؛ این فرکانسها در حوزهٔ شنوایی انسان قرار ندارند، بنابراین پرواز بهطور واقعی تا حد زیادی بیصدا انجام میگیرد.
مقایسه با راهکارهای جایگزین
این رویکرد از نظر کلی شبیه ایدهٔ «فن روی تراشه» است که در آن از غشای پیزوالکتریک برای ارتعاش هوا استفاده میشود؛ بهعنوان مثال شرکت xMEMS در این حوزه فعال است. تفاوت اصلی روش EPFL در این است که تحریک جریان هوا عمدتاً از طریق هندسهٔ حفره و فرکانس رزونانسی حاصل میشود، نه صرفاً از ارتعاش مستقیم یک غشا. برای آشنایی با پیزوالکتریک میتوان به مراجع فنی مراجعه کرد.
محدودیتها و مسیرهای توسعه
نمونههای آزمایشی کنونی محدودیتهایی دارند که تیم تحقیقاتی دربارهٔ آنها گزارش داده است:
- حداکثر ارتفاع پرواز فعلی کمتر از 5 میلیمتر است.
- ظرفیت حمل بار بسیار اندک است و قایق تنها وزن کمی را تحمل میکند.
- بهرهوری رانش و مقیاسپذیری هنوز به سطحی نرسیده که بارهای قابلتوجه یا پرواز پایدار در محیطهای واقعی را پشتیبانی کند.
محورهای فنی برای توسعهٔ آینده شامل موارد زیر است:
- افزایش رانش و بهبود بازده انرژی حفرهها و نازلها
- بهینهسازی هندسهٔ رزوناتورها برای کار در شرایط محیطی مختلف
- انتخاب و یکپارچهسازی منابع تغذیهٔ فشرده و سامانههای کنترل سبک
- توسعه الگوریتمهای کنترلی برای پایداری در پرواز و کنترل جهت
کاربردها و چشمانداز
در صورت حل موانع فنی، موتورهای صوتی چاپشده میتوانند در کاربردهایی که نیاز به سکوت، ابعاد کوچک و وزن اندک دارند مفید باشند. موارد بالقوه عبارتاند از:
- ریزپهپاد بیصدا برای مأموریتهای نظارتی در محیطهای حساس صوتی
- ابزارهای سنجش علمی و نمونهگیری در محیطهای آزمایشی یا طبیعی که نویز حساسیتزا است
- کاربریهای صنعتی در فضاهای محدود یا بسته که در آنجا فنهای مرسوم مناسب نیستند
- نمونههای مینیاتوری برای پژوهشهای آزمایشگاهی و آموزشی
خلاصه
موتور صوتی چاپشدهٔ EPFL نشان میدهد که استفاده از فرکانسهای رزونانسی در حفرههای چاپی میتواند رانش تولید کند و ریزپهپادهایی با سطوح صوتی بسیار پایین پدید آورد. هنوز چالشهای مهمی برای افزایش برد و ظرفیت حمل وجود دارد، اما مسیر تحقیق روشن است و پیشرفتهای بعدی میتواند این مفهوم را به سامانههایی با کاربری واقعی نزدیکتر کند.
گزارش بر پایهٔ نتایج منتشرشده از آزمایشگاه MICROBS در EPFL و پوشش اخبار فناوری است و شامل نقلقولها و توضیحات تیم تحقیقاتی میباشد.
