Drone Bertenaga Suara dari EPFL, Teknologi Propulsi Tanpa Mesin

Telset.id – Tim peneliti dari École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) di Swiss telah mengembangkan “mesin bertenaga suara” yang mampu mendorong objek tanpa komponen mekanis bergerak. Inovasi ini memanfaatkan frekuensi resonansi dari rongga cetak 3D untuk menggerakkan udara di dalamnya, menghasilkan daya dorong yang cukup untuk menerbangkan drone mini.

Penelitian yang dilakukan oleh Microbiorobotic Systems Laboratory (MICROBS) ini berhasil menciptakan dua drone kecil yang digerakkan oleh gelombang suara. Gelombang suara pada frekuensi tertentu membuat molekul udara di dalam objek berosilasi lebih kuat, kemudian didorong keluar melalui nosel yang dirancang khusus sebagai jet terpusat.

“Alih-alih mendorong perangkat dengan gelombang suara, kami menciptakan resonator akustik yang disetel untuk memanfaatkan suara pada frekuensi spesifik guna menghasilkan dorongan terarah dan gerakan terkontrol,” ujar Kepala MICROBS, Selman Sakar. “Pekerjaan kami menunjukkan kelayakan mengubah bagian mekanis sederhana yang dirancang cerdas menjadi materi robot.”

Sistem propulsi ini bekerja berdasarkan prinsip resonansi akustik. Setiap rongga yang dicetak memiliki bentuk geometris tertentu yang menentukan frekuensi resonansinya. Ketika gelombang suara mengenai rongga tersebut pada frekuensi yang tepat, energi akustik diperkuat dan molekul udara di dalamnya bergetar dengan amplitudo jauh lebih besar. Udara yang terkompresi ini kemudian dialirkan keluar melalui nosel, menciptakan aliran jet yang mendorong objek ke arah berlawanan.

Tim peneliti telah mengembangkan tiga aplikasi praktis dari “mesin” ini. Aplikasi pertama adalah sebuah perahu yang menggunakan tiga resonator — satu ditempatkan di bagian belakang perahu dan disetel pada 540 Hz untuk propulsi, serta dua di sisi kiri dan kanan untuk navigasi. Dua aplikasi lainnya adalah microflier atau mesin terbang mini yang digerakkan oleh frekuensi ultrasonik.

Microflier pertama memiliki tiga rongga yang semuanya menghadap ke bawah, memungkinkannya terangkat dari permukaan seperti roket. Sementara microflier kedua memiliki tiga bilah yang terhubung di satu titik pusat, menyerupai rotor helikopter. Setiap bilah dilengkapi resonator di pangkalnya yang mengarah ke belakang. Ketika resonator dipicu dengan frekuensi yang tepat, mereka menghasilkan dorongan yang memutar bilah pada kecepatan lebih dari 12.000 rpm, membuat seluruh perangkat melayang di udara.

Salah satu keunggulan utama teknologi ini adalah kebisingannya yang sangat rendah. Frekuensi ultrasonik tidak dapat didengar oleh telinga manusia, sehingga perangkat-perangkat ini dapat melayang hampir tanpa suara. Ini menjadikannya kandidat menarik untuk aplikasi pengawasan atau eksplorasi yang membutuhkan operasi senyap.

Meskipun teknologi ini memiliki kemiripan konsep dengan solusi pendinginan fan-on-a-chip dari xMEMS yang menggunakan membran piezoelektrik ultrasonik untuk menggerakkan udara, pendekatan EPFL berbeda secara fundamental. “Mesin bertenaga suara” ini mengandalkan bentuk rongga spesifik dan frekuensi resonansi untuk mencapai efek yang sama, tanpa memerlukan komponen mekanis yang bergerak.

Perbedaan utama terletak pada mekanisme pembangkit aliran udara. Fan-on-a-chip menggunakan membran piezoelektrik yang bergetar pada frekuensi ultrasonik untuk menggerakkan udara ke arah yang diinginkan. Sementara itu, mesin EPFL menggunakan rongga berbentuk khusus yang memperkuat energi akustik pada frekuensi resonansinya, kemudian mengarahkan aliran udara terkompresi melalui nosel.

Meskipun tim telah berhasil membuktikan konsep ini melalui eksperimen, masih ada keterbatasan signifikan yang perlu diatasi. Microflier saat ini hanya mampu mencapai ketinggian maksimum kurang dari 5 milimeter, sementara perahu yang diuji memiliki bobot yang sangat ringan. Namun, keberhasilan ini membuktikan bahwa prinsip propulsi berbasis suara dapat bekerja dalam skala mikro.

Langkah berikutnya bagi tim peneliti adalah meningkatkan skala teknologi ini agar mampu membawa muatan atau payload. Jika berhasil, teknologi ini berpotensi digunakan sebagai sistem propulsi untuk micro-drone, termasuk drone seukuran nyamuk yang pernah dikembangkan di China.

Pendekatan EPFL dalam pengembangan teknologi 3D printing ini menunjukkan bagaimana desain geometris yang cerdas dapat menggantikan komponen mekanis kompleks. Konsep ini sejalan dengan tren miniaturisasi perangkat terbang yang semakin diminati untuk berbagai aplikasi.

Potensi aplikasi teknologi ini cukup luas. Selain untuk drone pengintai berukuran kecil, prinsip propulsi akustik ini juga dapat diterapkan pada perangkat medis, sensor lingkungan, atau bahkan eksplorasi ruang angkasa di mana komponen mekanis tradisional mungkin tidak praktis digunakan.

Keunggulan lain dari teknologi ini adalah kesederhanaannya. Karena tidak memiliki bagian yang bergerak, risiko kegagalan mekanis menjadi sangat rendah. Selain itu, biaya produksi juga dapat ditekan karena komponen utamanya hanyalah rongga cetak 3D yang dapat diproduksi secara massal dengan biaya relatif murah.

Namun, tantangan terbesar yang dihadapi adalah efisiensi energi. Gelombang suara membutuhkan energi untuk dihasilkan, dan mengubah energi akustik menjadi dorongan mekanis memiliki efisiensi yang masih rendah. Tim peneliti perlu mengoptimalkan desain rongga dan nosel untuk meningkatkan efisiensi konversi energi ini.

Penelitian ini juga membuka jalan bagi pengembangan material robotik baru. Konsep “robot matter” yang disebutkan oleh Sakar mengindikasikan bahwa objek pasif sederhana dapat berperilaku seperti robot aktif ketika diberikan stimulus yang tepat — dalam hal ini, gelombang suara pada frekuensi resonansi.

Perbandingan dengan teknologi propulsi lain juga menarik untuk dicermati. Sementara perangkat penyimpanan terkecil terus berkembang, inovasi seperti ini menunjukkan bahwa miniaturisasi juga terjadi di bidang robotika dan propulsi.

Ke depannya, kombinasi antara pencetakan 3D presisi dan pemahaman mendalam tentang akustik dapat menghasilkan generasi baru perangkat otonom berukuran sangat kecil. Perangkat-perangkat ini dapat digunakan untuk berbagai keperluan, mulai dari pemantauan lingkungan hingga inspeksi infrastruktur.

Meskipun masih dalam tahap awal, penelitian EPFL ini merupakan langkah signifikan dalam membuktikan bahwa suara dapat menjadi sumber tenaga yang layak untuk aplikasi robotika skala mikro. Keberhasilan tim dalam menerbangkan drone menggunakan prinsip resonansi akustik membuka peluang baru dalam desain kendaraan udara tak berawak.

Dengan semakin berkembangnya teknologi cetak 3D, produksi komponen resonator akustik dengan bentuk presisi menjadi semakin mudah diakses. Hal ini dapat mempercepat adopsi teknologi propulsi berbasis suara di berbagai industri.

Tim peneliti EPFL kini fokus pada upaya meningkatkan daya dorong dan efisiensi sistem. Jika berhasil mengatasi keterbatasan ketinggian dan kapasitas muatan, teknologi ini dapat menjadi solusi propulsi yang revolusioner untuk drone mikro dengan operasi senyap.

Pengembangan ini juga menimbulkan pertanyaan menarik tentang batas-batas teknologi propulsi konvensional. Dengan pendekatan yang sama sekali berbeda dari motor listrik atau mesin pembakaran, propulsi akustik menunjukkan bahwa inovasi dapat datang dari arah yang tidak terduga.

Bagi industri drone dan robotika, penelitian ini memberikan wawasan baru tentang bagaimana prinsip fisika dasar dapat dimanfaatkan untuk menciptakan solusi yang elegan dan efisien. Ke depannya, kita mungkin akan melihat lebih banyak perangkat yang memanfaatkan resonansi akustik untuk berbagai fungsi.

Sumber: Tom’s Hardware