요약:
전자 장비가 지속적으로 소형화됨에 따라 의료, 항공우주, 보안 분야에서 초소형 장치에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 그러나 기존 배터리, 모터 및 기계 부품의 크기 제한도 마이크로 장치의 추가 축소에 장애물이 되었습니다. 스위스 EPFL(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) 공과대학의 미생물 로봇 시스템 연구소는 최근 배터리와 모터 없이 방향 이동을 달성하기 위해 소리를 사용하여 마이크로 장치에 전력을 공급하는 새로운 솔루션을 제안했습니다.
이 기술은 사람들이 유리병 입구에 공기를 불어넣을 때 윙윙거리는 소리를 발생시키는 물리적 현상인 헬름홀츠 공명을 기반으로 합니다. 소리 주파수가 병 내부 공기의 자연 진동 주파수와 일치하면 병 안에 갇힌 공기가 강하게 진동합니다. 연구팀은 이 원리를 3D 프린팅된 플라스틱, 유리 또는 고무 같은 폴리머로 만들어진 미세 공동 구조에 적용했습니다.
음파의 작용으로 캐비티 내부 공기의 진동이 집중된 공기 흐름을 형성하여 바깥쪽으로 분사됩니다. 반환 공기는 상대적으로 분산됩니다. 두 기류 분포 사이의 비대칭성은 장치를 움직이는 추진력을 생성합니다. 외부 음파를 사용하여 수동 물체를 직접 "밀거나" 음향 공중 부양을 통해 물체를 조작했던 이전 연구와 달리 새로운 솔루션은 환경의 음향 에너지를 수집하여 기계적 추력으로 변환하는 것을 목표로 합니다.
이 아이디어를 테스트하기 위해 연구진은 먼저 마이크로 선박을 만들고 각 선박에 서로 다른 공명 주파수에 해당하는 3개의 캐비티를 배열했습니다. 음파의 주파수를 전환함으로써 팀은 구멍 중 하나를 선택적으로 활성화하여 배를 특정 방향으로 밀 수 있었습니다.
이후 팀은 초경량 "초소형 항공기"도 제작했습니다. 이 유형의 마이크로 드론은 무게가 150마이크로그램에 불과하며 본체에 3개의 작은 구멍이 통합되어 있습니다. 테스트 결과, 초소형 항공기는 인간의 귀에 들리지 않는 초음파 주파수로 구동될 때 앞으로 이동할 수 있는 것으로 나타났습니다.
또 다른 디자인은 음향 공간과 작은 프로펠러 블레이드를 결합합니다. 실험 결과에 따르면 캐비티에 의해 생성된 추력은 블레이드가 분당 13,000회전의 속도에 도달하기에 충분하다는 것을 보여줍니다. 비교를 위해 일반 드론 프로펠러는 일반적으로 분당 수천 회전 정도에 불과합니다.
연구원들은 이 기술이 향후 전통적인 배터리와 모터가 필요 없는 마이크로 디바이스와 로봇 개발을 촉진할 것으로 기대하고 있다. 동일한 장치에서 서로 다른 주파수에 반응하는 여러 음향 구조를 구성함으로써 장치의 서로 다른 부분이 활성화되고 독립적으로 움직일 수 있어 유연한 마이크로 로봇과 고도로 통합된 마이크로 장치에 새로운 디자인 아이디어를 가져올 수 있습니다.
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