微克级机器人怎么驱动？EPFL用3D打印谐振器，让声音变成推力

把马达和电池塞进机器人里，机器人越小，难度就越大，到了微克级别，这几乎已经成了不可能的事。
瑞士洛桑联邦理工学院，也就是EPFL的研究人员，找到了一种突破这个极限的思路。
他们用声音给小型机器人提供动力，而不是在机身上装机械部件，这给传统推进方式根本塞不下的微型机器开了条新路。

你可能会问，声音怎么就能产生推力呢？
这个办法靠的是亥姆霍兹共振效应，就是空气吹过瓶口时会产生音调的那个现象。
研究团队3D打印了一批带有狭窄颈部的空心腔体，然后调谐它们，让特定频率的声音能引起内部空气剧烈振荡，从而产生定向射流，并形成可用的推力。

这些谐振器的尺寸从厘米级一直做到微米级，工作频率在200赫兹到40千赫兹之间，实测的共振频率和理论预测的偏差在5%以内。
对不同尺寸的谐振器测试后，他们发现推力随着腔体体积线性增加，每增加一立方厘米大约能产生44微牛顿的力。
当谐振器相对于声波波长足够小的时候，腔体形状对输出的影响很小。
但颈部几何形状很关键，没有颈部的谐振器产生的推力明显更小，直颈的性能要比收敛形或扩散形颈部更好。
较薄的壁比厚壁输出能提高约35%。
玻璃、PLA和软弹性体谐振器虽然刚度差异很大，但产生的推力倒是差不多。

为了验证这个思路，他们先做了一个微型小船。
单个谐振器就能产生前进运动，而一条船如果装上三个调谐到不同频率的谐振器，一个推进，两个转向，就能让船沿着预设的无穷形路径航行，还能绕过障碍物，平均跟踪误差只有5.7毫米。

后来，他们又把声源直接搬到了机器人身上，把一个微型换能器直接接到谐振器上，而不是依赖外部的扬声器。
这样一来，小船就可以完全无绳，自带电池、控制电子器件和两个振动致动器，通过蓝牙通信，延迟大约30毫秒。
这条小船能画出「EPFL」这几个字母，在手动和预编程的控制下绕开障碍物，就算被物理推动或者被气流干扰，也能自己恢复航向。

在微尺度上，他们用双光子聚合（2PP）技术，这是一种高分辨率3D打印方法，做了两种飞行器设计。
第一种大约150微克重，用了三个调谐到40千赫兹的谐振器，产生垂直向下的推力，推重比在4.9左右。
放在一个由256个换能器组成的16×16超声相控阵列下面时，初始加速度接近30米/秒²。
在无约束飞行中，它有时候会翻过来。

第二种大约184微克，把同样的共振效应引导到了带有格尼襟翼形状的转子叶片上。
峰值转速接近每分钟13000转，在约6500转每分钟的时候能稳定悬停。
这种转子驱动的设计飞起来更稳，研究人员觉得可能是旋转带来的陀螺仪稳定效应在起作用。

不过，空中驱动完全取决于在机器人周围维持一个强烈且精确聚焦的声场，这也就把可用的工作空间和外部换能器阵列绑在了一起。
如果改成结构传导驱动，就能不依赖外部阵列，但得在极其严格的质量预算内，把换能器、电池和控制电子器件都装上去，难度不小。

再往小了做，还会遇到流体动力学极限。
谐振器越小，颈部附近薄空气层里的粘性效应就会开始耗散能量，腔体尺寸和推力之间的线性关系可能就不再成立了。
研究人员建议，未来的系统可以同时使用多个频率，独立寻址多个谐振器，这样就能在飞行过程中实现协调转向。

要让这些谐振器在不同尺度上都有好的表现，制造工艺得跟着尺度走。
谐振器的推力输出取决于几何形状、腔体体积、颈部长度和壁厚。
EPFL团队针对每个目标尺度选了不同的增材制造工艺，厘米级的PLA谐振器用FFF，就是熔融沉积成型，毫米级的刚性谐振器用DLP，也就是数字光处理，软弹性体谐振器用SLA，即光固化，而微尺度的飞行器用的就是前面说的2PP。

普渡大学的研究人员也用了一样的2PP技术去打印用于生物医学诊断的可追踪微型机器人，结构特征尺寸大约1微米，和EPFL微尺度飞行器用的技术一致。
不过2PP技术本身还是被限制在可交联聚合物里，虽然专用光刻胶和后处理策略已经能稍微扩展材料范围了。

这项研究题为《声学谐振器作为小型机器人的空气中无线致动器》，作者是Junsun Hwang（黄俊善）、Quentin Angéloz（昆汀·安杰洛兹）、Ashwin Subramanian Murugan（阿什温·苏布拉马尼安·穆鲁根）、Hervé Lissek（埃尔韦·利塞克）和Mahmut Selman Sakar（马赫穆特·塞尔曼·萨卡尔）。