Crean barcos y robots voladores diminutos que funcionan con sonido

Los investigadores de la EPFL han aprovechado la física detrás de un fenómeno conocido como resonancia de Helmholtz, desarrollado a mediados del siglo XIX, para construir estructuras huecas que actúan como máquinas en miniatura alimentadas por sonido. El avance haría posible diseñar estructuras robóticas a escala milimétrica, incluyendo pequeños barcos y robots ultrasónicos capaces de volar como insectos.

Un principio físico que puede observarse al soplar sobre una botella ha inspirado una nueva generación de robots diminutos capaces de desplazarse sin motores, engranajes ni componentes electrónicos incorporados. El concepto de resonancia de Helmholtz es fundamental en diversos campos, incluida la acústica, la ingeniería y la física, y fue desarrollado a partir de conceptos incluídos en un libro editado en 1863.

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, han desarrollado estructuras acústicas que convierten las ondas sonoras en fuerza de propulsión y las han utilizado para crear desde pequeños barcos hasta vehículos voladores de apenas unos cientos de microgramos, a partir del principio mencionado previamente.

Como soplar por una botella

La clave está en el mismo fenómeno que explica el sonido que produce una botella cuando el aire pasa por su cuello: el aire contenido en una cavidad comienza a oscilar y, cuando la frecuencia es la adecuada, esa oscilación se intensifica.

El equipo del laboratorio MicroBioRobotic Systems (MICROBS) de la EPFL ha llevado ese concepto mucho más allá, convirtiendo las cavidades resonantes en auténticos actuadores mecánicos inalámbricos, de acuerdo a una nota de prensa.

En lugar de utilizar el sonido simplemente para empujar un objeto desde el exterior, los investigadores diseñaron cavidades huecas con formas específicas para aprovechar la energía acústica.

Barcos de pocos centímetros

Cuando una onda sonora alcanza la frecuencia de resonancia, el aire del interior oscila y es expulsado en forma de un chorro concentrado. Como el flujo de entrada de aire es más difuso, se crea un desequilibrio que genera empuje. De ese modo, una estructura pasiva puede transformar directamente una señal acústica en movimiento.

Los primeros demostradores fueron pequeños barcos de apenas unos centímetros. Los investigadores integraron hasta tres cavidades en cada embarcación, ajustadas a distintas frecuencias audibles.

Cada una de ellas estaba orientada de manera que ejerciera el empuje en una dirección determinada. Al modificar la frecuencia emitida por un altavoz, podían activar selectivamente unas u otras cavidades, controlar el rumbo del barco, esquivar obstáculos e incluso programar recorridos autónomos.

Diminutos robots voladores

La misma estrategia funciona en el aire, aunque con frecuencias que ya no puede percibir el oído humano. Mediante técnicas de nanofabricación en tres dimensiones, el equipo creó los llamados "microvoladores", vehículos ultraligeros en los que las diminutas cavidades forman parte de la propia estructura de polímero. Uno de los diseños pesa tan solo 150 microgramos y utiliza la resonancia para generar empuje vertical en forma directa, con un funcionamiento comparable al de un pequeño cohete.

Otro prototipo incorpora pequeñas palas que giran hasta 13.000 revoluciones por minuto. En este caso, las cavidades acústicas proporcionan la energía necesaria para hacer girar las aspas y producir una sustentación estable, similar a la de un helicóptero. La propulsión se consigue sin recurrir a los motores convencionales, que normalmente dificultan la fabricación de robots extremadamente pequeños.

Un avance importante para la microrrobótica

El hallazgo, que se describe en un estudio publicado en la revista Science Advances, plantea una alternativa especialmente interesante para la microrrobótica. Las estructuras pueden fabricarse con materiales relativamente sencillos, como plásticos empleados en impresión 3D, polímeros flexibles o vidrio. Al prescindir de motores, engranajes, imanes y sistemas electrónicos integrados, el diseño reduce la complejidad y abre la puerta a una miniaturización aún mayor.

Más allá de los prototipos actuales, los investigadores imaginan sistemas formados por múltiples resonadores, cada uno sensible a una frecuencia distinta. Una misma estructura flexible podría contener varios de estos elementos y responder de forma selectiva a diferentes sonidos, haciendo que ciertas partes se muevan, se doblen o vibren. Esto podría permitir desarrollar robots aerodinámicos capaces de cambiar de forma mediante señales acústicas.

Fuente: Levante - EMV