如果把機械人繼續縮小，最先消失的可能是電機和電池。
8月12日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）MicroBioRobotic Systems Lab團隊在《Science Advances》發表了一種新的微型機械人驅動方式。研究人員在機械人上集成微型聲學共振腔，通過外部聲波讓腔內空氣產生共振，並形成定向氣流。依靠這種方式，他們造出了可以轉向的小船，以及重量只有150微克、能夠離地飛行的微型飛行器。
這台飛行器最特別的地方，是機身上沒有電池、電機和電子控制器。它的能量來自外部揚聲器或超聲換能器，機械人只需要利用自身結構將聲能轉化為運動。對于越來越小的機械人而言，這暗示着一些原本必須裝在機身上的動力和控制部件，有機會被大幅簡化。
一個空腔，變成一台「發動機」
這套裝置利用的是一個誕生於19世紀的物理現象：亥姆霍茲共振（Helmholtz resonance）。一個很常見的例子是，對着空玻璃瓶的瓶口吹氣，會聽到低沉的「嗚嗚」聲。這是因為瓶內的空氣會在特定頻率下發生共振。當外界聲音恰好接近這個頻率時，瓶內空氣的振動就會明顯增強。
EPFL團隊利用的正是這一現象。他們把類似「空瓶」的微型空腔直接做進機械人里，並在空腔上留下一個小孔。當特定頻率的聲波傳來，腔內空氣開始強烈振動，並不斷從小孔進出。研究人員通過特殊設計，讓向外噴出的氣流比吸入時更加集中，於是形成持續朝一個方向的微小推力。
研究人員證明，從厘米到微米尺度的3D打印腔體，都可以利用這一機制產生從毫牛到微牛量級的推力。
更關鍵的是，共振頻率可以通過腔體體積、開口尺寸等幾何參數設計。這意味着，同一個聲場中可以放入多個執行器，每個只對自己的「音高」敏感。外部控制系統不用給機械人鋪設電線，只需要改變聲音頻率，就能選擇究竟讓哪個結構動作。
這不是 Selman Sakar團隊第一次探索這種路線。2020年，他們已經在《Advanced Science》展示過利用超聲波選擇性驅動3D打印水凝膠微型機構；隨後又在《Soft Robotics》進一步利用封裝氣泡和柔性結構，把不同機械動作「編程」進納米打印結構。此前這些研究主要發生在液體環境中。
圖｜EPFL團隊開發的聲波驅動微型飛行機械人（來源：EPFL）
（來源：Science Advances）
而在這次工作中，研究人員進一步證明，聲學共振同樣能夠在空氣中產生足以推進機械人的力，而且可以一路縮小到微米尺度。
團隊首先用約5厘米長的小船驗證了控制能力。小船最多安裝3個朝向不同的共振腔，每個對應不同的可聽頻率。揚聲器改變頻率，就可以選擇不同腔體工作，讓小船前進或轉向。實驗中，小船能夠繞開障礙並完成自動導航；論文還證明，這種驅動既可以來自空氣傳播的聲音，也可以通過結構振動傳遞。
圖｜團隊製作的聲源小船（來源：EPFL）
隨後，研究人員把尺寸繼續縮小。藉助雙光子3D納米打印，他們製造出毫米尺度的「microflier」微型飛行器，將3個微型共振腔直接集成在聚合物機身中。尺寸縮小後，共振頻率進入人耳聽不到的超聲範圍。
其中一種飛行器只有150微克，3個腔體向下噴出微小氣流，工作方式更接近一枚「空氣火箭」。它的推重比達到4.9，也就是產生的最大推力約為自身重量的4.9倍。另一種設計則沒有直接向下噴氣，而是用聲學射流驅動帶葉片的轉子旋轉。整機重量184微克，轉速最高達到每分鐘1.3萬轉，再通過類似直升機的空氣動力學方式產生升力。
微型機械人開始把「動力」移到體外
如果只看「聲波讓機械人飛起來」，這項研究很容易被理解成一個有趣的物理演示。但它真正擊中的，其實是微型機械人幾十年的一個工程問題：機械人越小，傳統機電系統越難成立。
普通無人機可以不斷縮小電機、電池和控制板，但進入亞克級甚至毫克級以後，這條路線很快遇到尺度效應。電磁旋轉電機的線圈損耗、軸承和傳動結構開始變得不划算；飛行又天然需要很高的功率密度，而電池和電源管理電路恰恰是最難壓縮重量的部分。
過去幾年，不同團隊已經給出了幾種不同答案。華盛頓大學的 RoboFly用激光把能量無線傳給機載光伏器件；哈佛 RoboBee X-Wing把光伏電池和高壓驅動電路背到機身上，完整系統重259毫克，但實驗時仍需要大約3倍自然太陽光強；2025年，加州大學伯克利分校又做出一台21毫克、翼展9.4毫米的旋翼機械人，由外部交變磁場直接驅動，可以完成懸停、碰撞恢復和航線調整。它們背後的共同思路都是：當電池太重時，先把能源供給移到機械人之外。
圖｜華盛頓大學的 Robofly（來源：Watshington University）
EPFL的方案則更進一步。它不僅把「電源」移出去，連電能轉換、驅動電路和傳統執行器也一起拿掉了。機械人本體只保留幾何結構；結構本身負責識別頻率、吸收能量並產生動作。
這也是這項研究更值得關注的地方：當尺度足夠小時，「造一台更小的機械人」可能不再意味着把宏觀機械人的零件逐個縮小，而是重新分配機械人與環境之間的功能。計算可以在外部，能源可以在外部，控制信號和能量甚至可以由同一束聲波同時承擔，而機械人的結構負責把這些信號直接翻譯成動作。
當然，這條路線距離真正自主的微型無人機還很遠。目前的飛行實驗依賴受控聲場，微型飛行器主要展示的是推進與起飛能力，尚未實現傳統無人機意義上的自主感知、橫嚮導航和有效載荷；隨着工作距離增加，如何保持足夠的聲壓、如何同時尋址大量共振器、如何避免頻率串擾，也都會成為新的工程問題。因此，它目前更準確的定位是一種極輕量的無線執行方式，而不是已經可以離開實驗室獨立工作的微型無人機。
但它打開了另一種可能性。Sakar團隊設想，未來可以在同一塊柔性材料中集成多個具有不同共振頻率的結構：一種聲音讓某處彎曲，另一種讓它振動，再一種讓局部產生推力。屆時，機械人可能不再像一台由電機、晶片和電池拼起來的機器，而更像一種能夠被聲音選擇性「喚醒」的可編程材料。
