无需电池、电机，机器人靠声波飞起来了

如果把机器人继续缩小，最先消失的可能是电机和电池。

8 月 12 日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）MicroBioRobotic Systems Lab 团队在《Science Advances》发表了一种新的微型机器人驱动方式。研究人员在机器人上集成微型声学共振腔，通过外部声波让腔内空气产生共振，并形成定向气流。依靠这种方式，他们造出了可以转向的小船，以及重量只有 150 微克、能够离地飞行的微型飞行器。

图｜EPFL 团队开发的声波驱动微型飞行机器人（来源：EPFL）

这台飞行器最特别的地方，是机身上没有电池、电机和电子控制器。它的能量来自外部扬声器或超声换能器，机器人只需要利用自身结构将声能转化为运动。对于越来越小的机器人而言，这暗示着一些原本必须装在机身上的动力和控制部件，有机会被大幅简化。

一个空腔，变成一台“发动机”

这套装置利用的是一个诞生于 19 世纪的物理现象：亥姆霍兹共振（Helmholtz resonance）。一个很常见的例子是，对着空玻璃瓶的瓶口吹气，会听到低沉的“呜呜”声。这是因为瓶内的空气会在特定频率下发生共振。当外界声音恰好接近这个频率时，瓶内空气的振动就会明显增强。

EPFL 团队利用的正是这一现象。他们把类似“空瓶”的微型空腔直接做进机器人里，并在空腔上留下一个小孔。当特定频率的声波传来，腔内空气开始强烈振动，并不断从小孔进出。研究人员通过特殊设计，让向外喷出的气流比吸入时更加集中，于是形成持续朝一个方向的微小推力。

（来源：Science Advances）

研究人员证明，从厘米到微米尺度的 3D 打印腔体，都可以利用这一机制产生从毫牛到微牛量级的推力。

更关键的是，共振频率可以通过腔体体积、开口尺寸等几何参数设计。这意味着，同一个声场中可以放入多个执行器，每个只对自己的“音高”敏感。外部控制系统不用给机器人铺设电线，只需要改变声音频率，就能选择究竟让哪个结构动作。

这不是 Selman Sakar 团队第一次探索这种路线。2020 年，他们已经在《Advanced Science》展示过利用超声波选择性驱动 3D 打印水凝胶微型机构；随后又在《Soft Robotics》进一步利用封装气泡和柔性结构，把不同机械动作“编程”进纳米打印结构。此前这些研究主要发生在液体环境中。

而在这次工作中，研究人员进一步证明，声学共振同样能够在空气中产生足以推进机器人的力，而且可以一路缩小到微米尺度。

团队首先用约 5 厘米长的小船验证了控制能力。小船最多安装 3 个朝向不同的共振腔，每个对应不同的可听频率。扬声器改变频率，就可以选择不同腔体工作，让小船前进或转向。实验中，小船能够绕开障碍并完成自动导航；论文还证明，这种驱动既可以来自空气传播的声音，也可以通过结构振动传递。

图｜团队制作的声源小船（来源：EPFL）

随后，研究人员把尺寸继续缩小。借助双光子 3D 纳米打印，他们制造出毫米尺度的“microflier”微型飞行器，将 3 个微型共振腔直接集成在聚合物机身中。尺寸缩小后，共振频率进入人耳听不到的超声范围。

其中一种飞行器只有 150 微克，3 个腔体向下喷出微小气流，工作方式更接近一枚“空气火箭”。它的推重比达到 4.9，也就是产生的最大推力约为自身重量的 4.9 倍。另一种设计则没有直接向下喷气，而是用声学射流驱动带叶片的转子旋转。整机重量 184 微克，转速最高达到每分钟 1.3 万转，再通过类似直升机的空气动力学方式产生升力。

微型机器人开始把“动力”移到体外

如果只看“声波让机器人飞起来”，这项研究很容易被理解成一个有趣的物理演示。但它真正击中的，其实是微型机器人几十年的一个工程问题：机器人越小，传统机电系统越难成立。

普通无人机可以不断缩小电机、电池和控制板，但进入亚克级甚至毫克级以后，这条路线很快遇到尺度效应。电磁旋转电机的线圈损耗、轴承和传动结构开始变得不划算；飞行又天然需要很高的功率密度，而电池和电源管理电路恰恰是最难压缩重量的部分。

过去几年，不同团队已经给出了几种不同答案。华盛顿大学的 RoboFly 用激光把能量无线传给机载光伏器件；哈佛 RoboBee X-Wing 把光伏电池和高压驱动电路背到机身上，完整系统重 259 毫克，但实验时仍需要大约 3 倍自然太阳光强；2025 年，加州大学伯克利分校又做出一台 21 毫克、翼展 9.4 毫米的旋翼机器人，由外部交变磁场直接驱动，可以完成悬停、碰撞恢复和航线调整。它们背后的共同思路都是：当电池太重时，先把能源供给移到机器人之外。

图｜华盛顿大学的 Robofly（来源：Watshington University）

EPFL 的方案则更进一步。它不仅把“电源”移出去，连电能转换、驱动电路和传统执行器也一起拿掉了。机器人本体只保留几何结构；结构本身负责识别频率、吸收能量并产生动作。

这也是这项研究更值得关注的地方：当尺度足够小时，“造一台更小的机器人”可能不再意味着把宏观机器人的零件逐个缩小，而是重新分配机器人与环境之间的功能。计算可以在外部，能源可以在外部，控制信号和能量甚至可以由同一束声波同时承担，而机器人的结构负责把这些信号直接翻译成动作。

当然，这条路线距离真正自主的微型无人机还很远。目前的飞行实验依赖受控声场，微型飞行器主要展示的是推进与起飞能力，尚未实现传统无人机意义上的自主感知、横向导航和有效载荷；随着工作距离增加，如何保持足够的声压、如何同时寻址大量共振器、如何避免频率串扰，也都会成为新的工程问题。因此，它目前更准确的定位是一种极轻量的无线执行方式，而不是已经可以离开实验室独立工作的微型无人机。

但它打开了另一种可能性。Sakar 团队设想，未来可以在同一块柔性材料中集成多个具有不同共振频率的结构：一种声音让某处弯曲，另一种让它振动，再一种让局部产生推力。届时，机器人可能不再像一台由电机、芯片和电池拼起来的机器，而更像一种能够被声音选择性“唤醒”的可编程材料。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef5620

2.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42585305/

3.https://news.epfl.ch/news/these-tiny-drones-are-powered-by-sound-2/

4.https://www.livescience.com/technology/robotics/scientists-build-tiny-robots-without-motors-that-can-fly-using-sound-waves-alone

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成