导读：尽管声学谐振器装置在液体中已被广泛研究并实现了微型机器人的制造，但它在空气中的应用仍未得到充分探索。今天我们来看一项通过声音驱动飞行器的前沿研究。
2026年8月16日，来自瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 微型生物机器人系统实验室（MICROBS）的工程师们利用双光子光刻纳米3D打印技术制造出能够将声波转化为推力的空腔结构。这些空腔为小型机器人和超轻型无人机提供动力，这些无人机无需任何机载执行器或电子设备，其中一款微型飞行器仅重 150 微克。这套驱动方案可进一步小型化，突破机器人和航空领域的界限。
当你对着瓶颈吹气时，瓶子不仅会发出悦耳的声音，还会体验到一种叫做亥姆霍兹共振的现象。当气流流过开口时，会使封闭在空腔（例如玻璃瓶）内的空气来回振动，从而产生这种现象。在某些频率下，这种振动会变得更加强烈，产生我们熟悉的嗡嗡声。研究人员利用这种现象背后的物理原理，构建了可作为微型声动力机器的空心结构。
△亥姆霍兹谐振器作为空气中的无线致动器。（A）亥姆霍兹共振器的质量-弹簧模型，重点展示了决定共振频率的几何参数。在本模型中，颈部空气相当于质量块，腔体空气相当于弹簧。（B）示意图展示了颈部空气质量在空气声激励下的振荡，从而产生非零时间平均推力。（C）共振频率下共振器喷射出的气流产生的推力。高速成像揭示了共振时强射流的形成。（D）采用3D打印技术制造的、具有不同尺寸和共振频率的单片共振器。共振器的腔体尺寸是各向同性的。插图显示了使用双光子光刻技术微加工的共振器的放大图像。
这项创新成果以题为“Acoustic resonators as wirelessactuators in air for small-scale robots”的论文已发表在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上。
实验室负责人塞尔曼·萨卡尔表示：“我们没有用声波推动设备，而是制造了声学谐振器，通过调谐特定频率的声音来产生定向推力和可控运动。我们的研究表明，将一个设计巧妙的简单机械部件转化为机器人是完全可行的。”
△MICROBS实验室的声波动力船
微型船和微型飞行器
以往的研究利用声波使被动物体悬浮在空中，而洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队则设计出一种能将声波转化为自身推进力的装置。他们的创新之处在于制造了一种被称为空腔的中空圆形或钟形结构。当声波激发这些空腔内的空气时，振荡的空气会被挤压成一股集中的射流，而流入的气流则较为分散。这种不平衡产生的推力可以推动小型车辆前进。这些声动力空腔可以由多种材料制成，包括常见的3D打印塑料、橡胶状聚合物和玻璃。
△利用空气动力升力的声动力微型飞行器
研究团队在厘米尺度上制造了微型船，船上最多配备三个空腔，每个空腔都调谐到不同的可听频率，并被放置在特定位置以推动船只朝特定方向行驶。通过改变扬声器发出的声波频率，研究人员可以有选择地激活不同的空腔来移动船只、引导船只绕过障碍物，甚至进行编程后可以实现自主导航。研究团队利用3D纳米打印技术制造了“微型飞行器”：一种超轻型飞行器，聚合物结构中直接集成了三个微型空腔。与船只不同，这些微型飞行器由人耳听不到的超声波驱动。其中一款重量仅为150微克的微型飞行器利用空腔产生类似火箭的直接向上推力。另一款微型飞行器则将空腔与微型叶片相结合，这些叶片以高达每分钟13000转的速度旋转，从而产生类似直升机的稳定空气动力升力。
△微型飞行器的无约束飞行
迈向声响应机器人
由于这些装置依靠的是空腔而不是电机、齿轮或磁性元件，因此可以使用各种 3D 打印方法将其制成非常小巧轻便的装置。论文第一作者兼 MICROBS 实验室博士生Junsun Hwang说：“我们的概念可以进一步小型化，从而实现突破机器人和航空界限的先进设计。”萨卡尔补充说，未来可以将多个声波响应结构集成到一个柔性设备中，每个结构对不同的声波频率做出反应。“这将使设备的特定部分能够移动、弯曲或振动，从而有可能制造出能够根据声音改变形状的空气动力学机器人设备。”他说道。
来源：南极熊
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