Si soplas sobre la boca de una botella vacía, escucharás una nota clara y estable. Ahora, los ingenieros han utilizado ese mismo concepto para alimentar robots diminutos que se mueven sin un solo motor a bordo.
Estos nuevos dispositivos funcionan enteramente con sonido. Cuando se dirige la frecuencia adecuada hacia ellos, cámaras huecas integradas en su estructura resuenan y expulsan un chorro de aire, generando suficiente empuje para guiar un pequeño bote o elevar un diminuto robot volador del suelo.
Los científicos describieron su innovación en un estudio publicado el 12 de agosto en la revista Science Advances.
Un truco de afinación del siglo XIX, miniaturizado
El efecto detrás de ello, conocido como resonancia de Helmholtz, fue estudiado por primera vez en 1856 por el físico alemán Hermann von Helmholtz, quien intentaba inventar una herramienta para afinar instrumentos musicales. Observó que cuando el aire atrapado dentro de una cavidad resuena, también expulsa un débil chorro de aire.
“No es muy potente cuando se hace con un instrumento musical, porque la presión es baja”, dijo el coautor del estudio Selman Sakar, profesor asociado de ingeniería mecánica en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL) en Suiza. “Pero si pudieras aumentar la presión, de repente ese chorro podría volverse significativo… de una manera en la que la fuerza pueda aprovecharse para la maquinaria”, afirmó a Live Science.
El equipo se dio cuenta de que reducir el tamaño de los resonadores de Helmholtz desplazaría la frecuencia necesaria para activarlos hacia el rango ultrasonido, lo que significa que es demasiado aguda para que los humanos la oigan y, lo más importante, más fácil de enfocar con precisión. Versiones más grandes que generaran la misma fuerza necesitarían un sonido audible lo suficientemente alto como para resultar molesto y potencialmente dañino, señaló Sakar.
Usando una técnica especializada de impresión 3D llamada impresión por dos fotones, los investigadores construyeron estructuras huecas basadas en las ecuaciones originales de Helmholtz y confirmaron mediante pruebas de laboratorio y simulaciones computacionales que generaban empuje como se predecía.
Barcos, cohetes y diminutos helicópteros
El equipo construyó pequeños barcos de aproximadamente 2 pulgadas (5 centímetros) de largo, equipados con varios resonadores, cada uno ajustado a una frecuencia distinta y orientado en una dirección diferente. Al variar el tono de un altavoz cercano, los investigadores pudieron dirigir los barcos hacia la izquierda, la derecha o hacia adelante.
En una escala mucho más pequeña —algunas incluso de apenas 0.04 pulgadas (1 milímetro) de ancho— el equipo también creó “microfliers” que generaban sustentación de dos formas distintas: algunas empujaban el empuje hacia abajo como un cohete, pero utilizando aire para el empuje; mientras que otras hacían girar diminutas hélices acopladas para volar como un helicóptero, usando ondas sonoras para hacer girar las palas.
La tecnología tiene una ventaja sobre los medios convencionales de generación de energía porque puede fabricarse a escalas extremadamente pequeñas, dijo Sakar. Los motores convencionales tienen ‘un límite fundamental’ para la miniaturización debido a componentes físicos como imanes, bobinas y ejes que necesita un motor para funcionar, señaló. Como estos resonadores son solo cavidades huecas diseñadas con precisión, no existe un límite comparable sobre cuán pequeños podrían construirlos eventualmente.
Los investigadores dijeron en el estudio que el mismo principio podría utilizarse eventualmente para girar y manipular con precisión objetos pequeños en pleno aire sin tocarlos, o para construir superficies blandas y flexibles que se doblan y cambian de forma a demanda cuando “escuchen” una frecuencia particular, lo que puede usarse para aplicaciones biomédicas como stents cardíacos.
Por ahora, el estudio es una base sobre la que los investigadores pueden avanzar, dijo Sakar. “Este artículo, creo, es importante en el sentido de que presentamos los principios de diseño”, comentó, añadiendo que trabajos posteriores podrían centrarse en diseños más aplicados, sistemas de control o navegación.
