Cavità acustiche al posto di motori e batterie
Un gruppo di ricercatori dell’École polytechnique fédérale de Lausanne, l’EPFL, ha realizzato piccoli veicoli capaci di muoversi sfruttando l’energia trasmessa da onde sonore. Il progetto è stato sviluppato nel MicroBioRobotic Systems Laboratory, noto come MICROBS Lab, all’interno della School of Engineering dell’ateneo svizzero. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Science Advances in uno studio firmato da Junsun Hwang e dai suoi collaboratori, sotto la direzione di Selman Sakar.
I dispositivi non trasportano motori elettrici, ingranaggi, bobine magnetiche, batterie o circuiti per la gestione della propulsione. Il loro elemento attivo è una struttura cava, rotonda o simile a una campana, fabbricata mediante stampa 3D. Quando viene investita da un suono della frequenza adatta, questa cavità converte una parte dell’energia acustica ricevuta in un flusso d’aria orientato. Il getto risultante produce la spinta necessaria per far avanzare una piccola imbarcazione, sollevare un microvelivolo oppure azionare un rotore.
Il sistema non genera energia dal nulla e il termine “alimentato dal suono” richiede una precisazione. La sorgente energetica rimane esterna: un altoparlante o un trasduttore produce le onde acustiche che raggiungono il dispositivo. A bordo, però, non serve il consueto apparato di conversione composto da batteria, elettronica di potenza e motore. Questa separazione permette di ridurre massa e complessità del robot, trasferendo parte del sistema di alimentazione nell’ambiente circostante.
Il principio della risonanza di Helmholtz
Il funzionamento deriva dalla risonanza di Helmholtz, lo stesso fenomeno che si osserva soffiando sul collo di una bottiglia vuota. L’aria contenuta nella cavità si comporta come una molla comprimibile, mentre la porzione d’aria presente nell’apertura agisce come una piccola massa in movimento. Quando l’eccitazione sonora coincide con la frequenza naturale del sistema, l’oscillazione dell’aria aumenta di ampiezza.
La frequenza di risonanza dipende soprattutto dal volume interno della cavità, dall’area dell’apertura, dalla lunghezza effettiva del collo e dalla velocità del suono nel mezzo. Modificando queste dimensioni in fase di progettazione, i ricercatori possono quindi costruire cavità che reagiscono a frequenze differenti. Non occorrono sensori elettronici per riconoscere il comando: è la geometria stessa del componente a stabilire quale frequenza debba attivarlo.
Nel dispositivo dell’EPFL, l’aria non entra e non esce nello stesso modo. Durante l’oscillazione viene espulsa attraverso l’apertura sotto forma di getto relativamente concentrato, mentre il flusso di ritorno risulta più distribuito. La differenza tra queste due fasi produce una spinta netta orientata. La cavità non è dunque soltanto un elemento che vibra, ma un convertitore meccanico capace di trasformare un campo acustico alternato in un movimento medio diretto.
La tecnica si distingue dalla levitazione acustica tradizionale. Nei sistemi di levitazione, le onde sonore vengono organizzate per creare nodi di pressione nei quali un oggetto passivo può essere intrappolato o spostato. Nel lavoro dell’EPFL è invece il veicolo a incorporare il risonatore che riceve l’energia e genera la propria spinta. Il campo sonoro fornisce il comando e l’energia, mentre la direzione del moto dipende dalla struttura fisica montata sul robot.
Le imbarcazioni comandate attraverso frequenze diverse
Per dimostrare il principio su una scala facilmente osservabile, il MICROBS Lab ha costruito piccole imbarcazioni lunghe alcuni centimetri. Ogni barca può portare fino a tre cavità, orientate in direzioni differenti e accordate su frequenze udibili diverse.
Quando l’altoparlante emette una determinata frequenza, entra in risonanza soltanto la cavità progettata per rispondervi. Il getto generato può far avanzare la barca oppure modificarne la direzione. Cambiando il tono trasmesso si seleziona un altro risonatore e, di conseguenza, un diverso comando di movimento. Una sequenza prestabilita di frequenze permette di guidare il veicolo lungo un percorso e di aggirare ostacoli senza inviare istruzioni digitali a un ricevitore elettronico installato a bordo.
L’espressione “navigazione autonoma”, usata nella presentazione del progetto, non significa necessariamente che queste barche possiedano telecamere, processori o algoritmi di pianificazione imbarcati. L’automazione può essere ottenuta programmando dall’esterno la successione dei segnali acustici. L’intelligenza di controllo rimane quindi nella sorgente sonora o nel sistema che la gestisce, mentre la selezione dei comandi è incorporata nella geometria dei risonatori.
Questa architettura offre anche una forma di indirizzamento selettivo. Più dispositivi o più parti dello stesso dispositivo potrebbero essere accordati su frequenze differenti. Un singolo campo acustico, variato nel tempo, potrebbe così attivare elementi distinti senza cavi e senza assegnare a ciascuno un ricevitore radio completo.
Dalla scala dei centimetri ai microvelivoli
La parte più delicata del lavoro riguarda i microvelivoli stampati in 3D. Per fabbricare strutture cave di dimensioni microscopiche, il gruppo ha utilizzato una tecnica di nanostampa tridimensionale su materiale polimerico. Processi di questo tipo, basati sulla polimerizzazione controllata di una resina fotosensibile, consentono di costruire geometrie tridimensionali difficili da ottenere con la stampa 3D convenzionale.
Le cavità sono integrate direttamente nella struttura dei microvelivoli, evitando operazioni di montaggio di motori o trasmissioni. A questa scala vengono utilizzati ultrasuoni, ossia frequenze superiori alla soglia dell’udito umano. Le dimensioni di un risonatore determinano infatti la sua frequenza naturale: riducendo il volume della cavità e dell’apertura, la frequenza necessaria tende ad aumentare.
Uno dei prototipi pesa appena 150 microgrammi, cioè 0,15 milligrammi. Le sue tre cavità microscopiche producono una spinta rivolta verso il basso, facendo sollevare il veicolo con un principio paragonabile, dal punto di vista della direzione della spinta, a quello di un razzo. Il paragone riguarda il getto orientato e non il processo energetico: nel microvelivolo non avviene alcuna combustione.
Un secondo progetto trasferisce la forza generata dai risonatori a piccole pale. Il rotore ha raggiunto velocità fino a 13.000 giri al minuto, producendo una portanza aerodinamica simile a quella di un elicottero. Questa configurazione dimostra che la conversione dell’energia acustica può alimentare non soltanto una spinta lineare, ma anche un movimento rotatorio utile per il volo.
Perché la stampa 3D è determinante
La stampa 3D consente di progettare insieme il corpo del robot, le cavità interne, le aperture e gli eventuali elementi aerodinamici. Il risonatore non deve essere necessariamente un componente separato: può diventare parte della struttura portante del dispositivo.
La geometria interna deve essere controllata con precisione, perché piccole variazioni di volume o dell’apertura possono spostare la frequenza di risonanza. Nella produzione di dispositivi multipli sarà quindi necessario mantenere tolleranze sufficientemente strette per evitare che componenti destinati a rispondere allo stesso segnale si comportino in maniera diversa.
Secondo l’EPFL, il principio è compatibile con comuni plastiche per stampa 3D, polimeri elastomerici simili alla gomma e vetro. La scelta del materiale influisce sulla rigidità, sulle perdite energetiche, sulla durata e sulla precisione geometrica. Una struttura rigida può conservare meglio la propria frequenza di risonanza, mentre un materiale flessibile potrebbe essere impiegato per realizzare robot deformabili o elementi che cambiano forma quando ricevono un determinato tono.
La nanostampa 3D utilizzata per i microvelivoli permette di ottenere strutture complesse su scala micrometrica, ma rimane un processo più specializzato rispetto alla produzione additiva destinata agli oggetti di consumo. Prima di una possibile applicazione industriale serviranno valutazioni sulla ripetibilità, sui tempi di fabbricazione, sui costi e sulla resistenza dei componenti.
Vantaggi e limiti della propulsione acustica
L’eliminazione di batterie e motori a bordo riduce il peso minimo raggiungibile e rimuove componenti che, sotto una certa scala, diventano difficili da costruire e assemblare. Anche i collegamenti elettrici, i magneti e gli organi di trasmissione possono occupare più spazio della struttura utile del robot. Un risonatore cavo, invece, svolge contemporaneamente la funzione di corpo meccanico, ricevitore del comando e attuatore.
Il principale limite è la dipendenza da una sorgente sonora esterna. Portata e affidabilità sono condizionate dall’intensità acustica disponibile, dalla distanza, dall’orientamento, dagli ostacoli e dalle riflessioni presenti nell’ambiente. La frequenza di risonanza può inoltre variare in seguito a difetti di fabbricazione, deformazioni, cambiamenti di temperatura o differenze nelle proprietà del materiale.
Anche l’efficienza energetica dovrà essere valutata considerando l’intero sistema. Un microvelivolo senza batteria può essere leggerissimo, ma l’altoparlante o il trasduttore necessario per mantenerlo in volo consuma energia e occupa spazio fuori dal veicolo. Il vantaggio risulta quindi più evidente negli ambienti predisposti con un’infrastruttura acustica, oppure nelle applicazioni in cui ridurre massa e dimensioni del robot è più importante della portabilità della sorgente.
L’uso degli ultrasuoni evita che il comando sia percepito come un tono dall’orecchio umano, ma non elimina la necessità di studiare intensità, esposizione, riflessioni e compatibilità con persone, animali e strumenti sensibili. Questi parametri dipenderanno dalle frequenze e dalle potenze richieste da ciascuna applicazione.
Possibili sviluppi
Selman Sakar ipotizza dispositivi flessibili nei quali più cavità siano integrate in zone diverse, ciascuna sensibile a una frequenza specifica. Un segnale potrebbe far piegare una parte, un altro provocarne la vibrazione e un terzo modificarne l’orientamento. In questo modo, il materiale stesso incorporerebbe una serie di risposte meccaniche selettive.
Una struttura del genere potrebbe essere impiegata per realizzare piccoli robot con ali o superfici aerodinamiche deformabili, sistemi di manipolazione privi di cablaggi e sciami di dispositivi controllati mediante segnali acustici. Per arrivare a queste applicazioni sarà necessario dimostrare un controllo stabile fuori dalle condizioni di laboratorio, aumentare il numero di comandi distinguibili e misurare l’interferenza tra risonatori vicini.
Il lavoro dell’EPFL costituisce soprattutto una dimostrazione di fattibilità. Non presenta ancora droni destinati al trasporto, alla sorveglianza o al volo all’aperto. Mostra però che un componente passivo opportunamente progettato può ricevere energia da un suono, selezionare una frequenza e convertirla in una specifica azione meccanica. In questa prospettiva, una parte del comportamento del robot non risiede nel software, ma nella forma fisica della materia che lo compone.
Enti, aziende e organizzazioni coinvolte
La ricerca è stata condotta dall’EPFL attraverso il MicroBioRobotic Systems Laboratory. L’articolo scientifico è stato pubblicato da Science Advances, rivista dell’American Association for the Advancement of Science, l’AAAS. Nei materiali pubblici consultati non sono indicate aziende private partner né fornitori industriali coinvolti nello sviluppo dei prototipi. Junsun Hwang ha ricevuto sostegno attraverso la Swiss Government Excellence Scholarship.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
