Un gruppo di ricerca della Rowan University, nel New Jersey, sta studiando strutture stampate in 3D capaci di modificare la propagazione delle onde acustiche ed elastiche. Il lavoro, coordinato dal professore di ingegneria meccanica Chen Shen, comprende applicazioni diverse: la propulsione di piccoli robot acquatici, la riduzione del rumore nei sistemi di ventilazione, la manipolazione di cellule nei dispositivi microfluidici e il controllo delle onde che attraversano materiali solidi.
Il punto comune non è la produzione del suono, ma il modo in cui una struttura geometrica può concentrarlo, deviarlo, rallentarlo o attenuarlo. La stampa 3D permette di realizzare canali, spirali, cavità e risonatori con forme che sarebbero difficili da ottenere attraverso lavorazioni convenzionali.
Controllare le onde attraverso la geometria
Quando un’onda sonora attraversa un materiale, il suo comportamento dipende da proprietà come densità, elasticità e velocità di propagazione. Nei metamateriali acustici, però, una parte rilevante della risposta deriva dalla geometria interna della struttura.
Cavità con lunghezze differenti, condotti ripiegati e variazioni locali dello spessore possono introdurre ritardi di fase. In termini pratici, porzioni diverse dell’onda impiegano tempi differenti per attraversare il componente. Progettando questi ritardi è possibile modificare il fronte d’onda in uscita, con effetti paragonabili a quelli prodotti da una lente ottica sulla luce.
Questo approccio consente di ottenere funzioni specifiche senza dover cercare un materiale che possieda tutte le caratteristiche richieste. La prestazione viene programmata nella forma del componente, mentre la produzione additiva traduce il modello digitale in una struttura fisica.
Un robot acquatico spinto da vortici acustici
Uno dei progetti sviluppati dal gruppo della Rowan University riguarda un robot capace di muoversi sulla superficie dell’acqua mediante ultrasuoni. Il lavoro è firmato da Chadi Ellouzi, Nicholas Andrianto, Glen Vosgerichian, Farhood Aghdasi, Joshua Lloyd, Ali Zabihi e Chen Shen.
Il sistema utilizza una tecnologia definita Focused Acoustic Vortex Propulsion, abbreviata in FAVP. Alla base si trova una lente acustica stampata in 3D che trasforma le onde emesse da un trasduttore piezoelettrico in un campo sonoro concentrato e dotato di una struttura rotante.
Un vortice acustico presenta un fronte d’onda elicoidale. L’intensità assume una distribuzione ad anello, con una regione centrale a pressione ridotta. La sua caratteristica più importante per la propulsione è il momento angolare orbitale: l’onda può trasferire energia e quantità di moto al fluido, generando correnti localizzate e forze utilizzabili per spostare il robot.
Non si tratta quindi di un altoparlante che spinge direttamente il mezzo attraverso la sola pressione sonora. La lente modifica il campo ultrasonoro e produce un flusso acustico orientato, noto come acoustic streaming, che esercita una spinta sul sistema.
Due unità di propulsione per controllare direzione e rotazione
Il prototipo sperimentale misura circa 70 millimetri in lunghezza e 80 millimetri in larghezza. Queste dimensioni lo collocano con maggiore precisione nella categoria dei robot miniaturizzati o dei millirobot, anche se nella comunicazione divulgativa viene spesso indicato come microrobot.
Sotto lo scafo sono installate due unità FAVP orientate lungo direzioni differenti. Ciascuna unità integra una lente stampata in 3D e un trasduttore piezoelettrico con frequenza operativa di 1 MHz. I trasduttori sono indicati nello studio come prodotti da SMR, azienda con sede a Davenport, in Florida.
Variando l’attivazione e la potenza delle due unità, il sistema può generare una spinta in avanti, modificare l’orientamento del robot oppure combinare traslazione e rotazione. Un microcontrollore gestisce i segnali inviati ai trasduttori, permettendo di impostare traiettorie bidimensionali senza timoni, eliche o pinne mobili a contatto con l’acqua.
La formulazione “senza parti mobili” richiede una precisazione: gli elementi piezoelettrici vibrano per produrre gli ultrasuoni, ma il robot non utilizza organi meccanici rotanti o articolati per spingere direttamente il fluido. Questa differenza riduce il numero di componenti soggetti a usura e semplifica la protezione dell’apparato propulsivo.
Il ruolo della lente acustica stampata in 3D
La lente è il componente che determina la distribuzione della fase e dell’intensità del campo sonoro. La sua superficie non è uniforme: presenta variazioni geometriche calcolate per compensare i differenti percorsi compiuti dalle onde e ricostruire, all’uscita, il vortice desiderato.
Per produrre il prototipo è stata utilizzata la stereolitografia, con una risoluzione di stampa dichiarata di 50 micrometri. Il processo SLA solidifica selettivamente una resina fotosensibile e consente di realizzare dettagli più piccoli rispetto a molte configurazioni basate sull’estrusione di filamento.
La Rowan University ha sperimentato lenti acustiche con dimensioni comprese tra 10 e 49 millimetri. Sul robot illustrato nella documentazione dell’ateneo è montata una lente di circa 30 millimetri.
La precisione geometrica è importante perché un errore nello spessore o nella forma locale cambia il ritardo di fase introdotto dalla lente. Le tolleranze di fabbricazione, l’assorbimento del polimero, la rugosità superficiale e il comportamento del materiale immerso in acqua possono quindi alterare la posizione del fuoco e l’intensità della spinta.
Lo studio non specifica il produttore della stampante SLA né il marchio della resina. Non è quindi possibile attribuire questi elementi a un’azienda senza introdurre informazioni non documentate.
Possibili impieghi nel monitoraggio ambientale
Un robot privo di eliche esposte potrebbe essere utilizzato in ambienti nei quali detriti, vegetazione o spazi ridotti rendono poco adatti i sistemi propulsivi convenzionali. Tra gli scenari considerati dal gruppo di Chen Shen figura il monitoraggio di bacini, canali e piccoli corsi d’acqua.
Lo scafo potrebbe trasportare sensori per misurare temperatura, umidità, presenza di materiali estranei o altre proprietà del mezzo. Sensori acustici potrebbero essere impiegati per rilevare ostacoli o variazioni dell’ambiente circostante.
Queste applicazioni restano una prospettiva di sviluppo. Il prototipo ha dimostrato il controllo del movimento in condizioni sperimentali, ma l’impiego all’aperto richiederebbe verifiche su autonomia energetica, impermeabilizzazione, resistenza alle correnti, comunicazione wireless e stabilità in presenza di onde superficiali.
Anche la scala rappresenta un tema aperto. Ridurre le dimensioni del robot significa ridurre lo spazio disponibile per batterie, elettronica e trasduttori. Cambiando la scala devono inoltre essere riprogettate frequenza, geometria della lente e distribuzione del campo acustico.
Un silenziatore stampato in 3D che lascia passare l’aria
Lo stesso principio di controllo geometrico delle onde è stato applicato da Joshua Lloyd, Chadi Ellouzi, Farhood Aghdasi e Chen Shen a un silenziatore per condotti.
I sistemi destinati a ventilazione, scarichi e macchinari devono affrontare un compromesso: bloccare il rumore senza ostacolare il passaggio dell’aria o di altri fluidi. Materiali porosi e barriere fonoassorbenti possono ridurre il suono, ma introducono resistenza al flusso, perdite di pressione e consumi energetici aggiuntivi.
La soluzione sviluppata alla Rowan University mantiene libero il canale centrale. Intorno al tubo principale sono disposte serie di risonatori laterali a fessura, ripiegati su sé stessi per occupare meno spazio. Ogni percorso presenta una lunghezza differente ed è progettato per interagire con una determinata porzione dello spettro acustico.
Quando il suono attraversa il condotto, parte dell’energia entra nei risonatori. Le onde riflesse dalle cavità tornano verso il canale principale con una fase che può opporsi a quella dell’onda incidente, riducendo la trasmissione del rumore. L’impiego di più risonatori, accordati su frequenze differenti, amplia l’intervallo di attenuazione.
Riduzione del rumore tra 650 e 2.000 Hz
Il silenziatore è stato progettato per lavorare tra 650 e 2.000 Hz, una banda che comprende componenti sonore prodotte da ventilatori, motori, macchine industriali e flussi turbolenti nei condotti.
Il diametro esterno del dispositivo è stato limitato a 0,2 metri. La progettazione ha combinato calcoli basati sul metodo delle matrici di trasferimento, simulazioni agli elementi finiti e una procedura parametrica capace di modificare automaticamente le geometrie dei risonatori.
Nei test senza flusso, il prototipo ha ottenuto una perdita di trasmissione media di 36,3 dB nella banda prevista. In presenza di un flusso radente, la media misurata è scesa a 17,2 dB. La differenza mostra quanto il movimento del fluido possa modificare la risposta acustica del sistema.
La tesi di Joshua Lloyd riporta inoltre una perdita di pressione statica di 14,5 pascal. Il valore contenuto deriva dal canale centrale non ostruito, che consente al fluido di attraversare il componente senza passare attraverso materiali fibrosi o percorsi fortemente tortuosi.
Dove potrebbe essere utilizzato il silenziatore
Le applicazioni indicate dai ricercatori comprendono sistemi di scarico automobilistici, macchinari industriali, impianti di ventilazione e unità installate su imbarcazioni o mezzi navali.
La struttura parametrica offre un vantaggio progettuale: le lunghezze dei risonatori possono essere adattate allo spettro prodotto dalla macchina da silenziare. Un condotto destinato a un ventilatore può quindi avere una configurazione diversa da quella progettata per un motore o per un compressore.
Per trasformare il prototipo in un componente industriale sarà necessario verificare resistenza termica, comportamento in presenza di polveri, condensa e fluidi corrosivi, durata sotto vibrazione e compatibilità con i processi di pulizia. Nei sistemi di scarico dovranno essere utilizzati materiali capaci di resistere a temperature superiori a quelle tollerate dalle comuni resine da stampa.
La possibilità di fabbricare il componente in polimeri tecnici o metalli dipenderà dalle dimensioni minime dei canali, dalle tolleranze richieste e dai costi di produzione. La stampa 3D è adatta alla sperimentazione e alla personalizzazione, mentre la convenienza per grandi volumi dovrà essere confrontata con stampaggio, fusione e assemblaggio di componenti separati.
Onde acustiche per manipolare cellule nei microchip
Una seconda linea di lavoro riguarda l’acustofluidica, disciplina che utilizza onde sonore per controllare particelle, gocce e cellule all’interno di piccoli canali.
Le onde acustiche superficiali, indicate con la sigla SAW, si propagano lungo la superficie di un materiale piezoelettrico. Quando entrano in contatto con il liquido contenuto in un microcanale, generano forze di radiazione acustica e microcorrenti. Cellule con dimensioni, densità o proprietà meccaniche differenti possono reagire in modo diverso e spostarsi verso regioni specifiche del dispositivo.
Questo comportamento può essere sfruttato per separare popolazioni cellulari, organizzare cellule in schemi controllati oppure trasportare particelle senza pinze meccaniche. Il processo può essere integrato in sistemi lab-on-a-chip e impiegato nell’analisi di campioni biologici.
Le onde utilizzate sono non ionizzanti, ma non è corretto affermare che non interagiscano con i tessuti: la manipolazione avviene proprio attraverso un’interazione meccanica. Pressione, frequenza, durata dell’esposizione e riscaldamento devono quindi essere controllati per preservare la vitalità delle cellule.
Il progetto CAREER assegnato a Chen Shen dalla National Science Foundation studia anche la regolazione elettrica delle onde acustiche superficiali. Una tensione applicata al dispositivo potrebbe modificare la propagazione delle SAW e permettere la realizzazione di sensori, filtri e componenti biomedicali riconfigurabili.
Onde elastiche per individuare difetti nelle infrastrutture
Il gruppo della Rowan University studia anche le onde elastiche che si propagano in piastre e strutture solide. Crepe, vuoti, corrosione e variazioni locali del materiale modificano la velocità, la direzione e l’ampiezza di queste onde.
Analizzando il segnale ricevuto è possibile ottenere informazioni su difetti che non risultano visibili dalla superficie. Il principio può essere applicato al controllo di ponti, strade, pannelli metallici e componenti meccanici.
Alcune strutture fononiche progettate dal gruppo sono capaci di rallentare o concentrare frequenze differenti in zone separate. Questo fenomeno, chiamato rainbow trapping, può essere impiegato per filtrare vibrazioni, migliorare la sensibilità dei sensori o raccogliere energia meccanica in punti prestabiliti.
La stampa 3D può contribuire alla produzione di strutture di prova complesse, mentre per le infrastrutture reali serviranno soluzioni compatibili con metalli, calcestruzzo, materiali compositi e superfici di grandi dimensioni.
Finanziamenti, aziende e organizzazioni coinvolte
Le attività sono condotte presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Henry M. Rowan College of Engineering della Rowan University.
La National Science Foundation finanzia una parte della ricerca. Chen Shen ha ricevuto un CAREER Award da 500.000 dollari per un progetto quinquennale dedicato al controllo elettrico delle onde acustiche superficiali. Un precedente progetto sulle strutture acustiche riconfigurabili ispirate agli origami aveva ottenuto un finanziamento NSF di 199.999 dollari.
Nei documenti relativi al robot, SMR è l’unica azienda indicata come fornitrice di un componente tecnico: i trasduttori piezoelettrici da 1 MHz. Non vengono dichiarati partner industriali per lo sviluppo o la commercializzazione dei prototipi.
Wiley-VCH GmbH ha pubblicato lo studio sul robot acquatico nella rivista Advanced Science, mentre IOP Publishing Ltd ha pubblicato il lavoro sul silenziatore nel Journal of Physics D: Applied Physics. Le due società svolgono il ruolo di editori scientifici e non sono presentate come partner tecnologici dei progetti.
Non sono specificati i produttori della stampante 3D, della resina impiegata per le lenti o delle apparecchiature usate per la produzione del silenziatore.
Dalla sperimentazione a sistemi utilizzabili sul campo
I risultati mostrano che componenti passivi stampati in 3D possono intervenire sulla forma delle onde senza richiedere grandi schiere di trasduttori controllati individualmente. La geometria esegue una parte delle funzioni che, in altri sistemi, richiederebbero elettronica, attuatori o meccanismi più complessi.
Rimangono da valutare la ripetibilità produttiva, la stabilità delle proprietà dei polimeri, le perdite energetiche, la durata dei trasduttori e il comportamento in ambienti non controllati. Nel caso del robot sarà necessario ridurre massa e consumo, aumentare l’autonomia e integrare sensori e comunicazioni. Nel caso del silenziatore serviranno prove su intervalli di temperatura, portate e spettri sonori rappresentativi delle applicazioni industriali.
Il valore del lavoro della Rowan University risiede nella possibilità di trasferire lo stesso metodo progettuale tra settori differenti. Una lente concentra l’energia per produrre movimento, una serie di risonatori la sottrae a un condotto rumoroso e una metasuperficie la indirizza verso cellule o difetti strutturali. In tutti i casi, la funzione nasce dall’interazione tra onda, materiale e geometria stampata.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)