Science子刊 | 对着瓶口吹气的物理，被做成了微型飞行器：13000转/分，重184微克

拿起一个空瓶子，对着瓶口吹气，"呜——"的一声。

这个是许多人小时候玩过的把戏，背后是1860年就被亥姆霍兹写进论文的物理原理：空气在瓶颈里来回振荡，瓶腔里的空气像弹簧，瓶颈里的空气像质量块，凑成一个标准的质量-弹簧系统。

现在，洛桑联邦理工学院（EPFL）研究团队基于这一物理原理实现全新突破，相关研究成果近日发表于国际权威期刊Science Advances上。

他们把瓶子3D打印到只有几百微米大，然后用声音把它"吹响"。共振一起来，腔口喷出一股定向气流，反作用力就是推力。

尺寸从厘米一路缩到微米，推力从毫牛一路缩到微牛。

最终成果是两台飞行器：一台重150微克，推重比4.9；另一台重184微克，靠自己转出13000转/分的转速，硬生生把自己抬离地面。

01.

一个吹瓶子的老物理，被重新做成了推进器

先说清楚这件事为什么值得做。

声波驱动微型机器人这条路，在液体里已经被走了很多年——微气泡、尖锐边缘结构、声流，各种玩法都有。但在空气里，声学基本只被用来做"声悬浮"：靠驻波或者相控阵把小物体托在半空。

问题是，声悬浮托得住东西，却驱动不了机器。它依赖的是声辐射力和声阱，受限于声学对比因子（也就是物体和空气之间的密度、压缩性差异），能给的力很小，而且被悬浮物的形状一变，效果就变。

亥姆霍兹共振走的是完全不同的路子。共振频率由腔体体积和颈部几何决定：

f = (c/2π)·√(A/VL_eff)

其中c是空气声速（20°C约343 m/s），A是颈部截面积，V是腔体体积，L_eff是有效颈长（物理颈长加上约0.6r的端部修正）。

体积越小，频率越高。研究团队据此打印了一整套谐振腔，覆盖200 Hz到40 kHz，用到了熔融沉积（FFF）、光固化（SLA）、数字光处理（DLP）和双光子聚合（TPP）四种工艺。实测共振频率和理论预测的最大偏差只有5%。

关键问题是：推力到底跟什么有关？

团队把谐振腔放进消声室，用精密天平称"表观增重"来测推力，同时用麦克风实时监测声压。

结论显示：推力和腔体体积呈严格线性关系，拟合斜率0.044，R²=0.999。换算过来就是130 dB声压下，腔体体积每增加1 cm³，推力增加约44 μN。

腔体形状几乎不影响推力。球形、立方、圆柱三种腔体给出的推力相当接近——因为谐振腔尺寸远小于声波波长（kL≪1）时，形状本就不重要。这带来一个很实用的推论：可以用立方腔堆阵列来放大推力，实测推力随阵列数量线性增长。

硼硅玻璃（E=64 GPa）、PLA（2 GPa）、弹性体（5 MPa）三种谐振腔推力相当，而后两者更轻，推重比反而更高。

真正重要的是颈部。

没有颈部的谐振腔推力大幅下降；直筒颈优于渐缩和渐扩颈；壁厚从3.5 mm减到0.75 mm，推力提升约35%。进一步拆开来看，改变腔壁厚度几乎没影响，改变颈部厚度则显著改变推力。团队推测是更薄的颈缘更容易发生流动分离和涡脱落，形成更集中的涡环，动量传递效率更高。

顺便还有个工艺层面的发现：同样设计在300 Hz的谐振腔，SLA打印版本比FFF版本推力高1.4倍，Q值也更高（两者分别为8.9和12.2）。打印质量本身就是性能参数。

作为最基础的机械元件，团队做了个转子：四个1.2 kHz的毫米级谐振腔装在3D打印轮毂上，用一根线吊起来。声波一响，每个腔喷一股射流，转子就转起来，几秒内进入稳态转速。

漂亮的地方在于——从仿真气动阻力反推出的单腔推力是70.4 μN，天平实测是71.9 μN。也就是说，这套旋转机械可以完全从第一性原理设计出来。

然后是频率选择性：1.2 kHz、1.8 kHz、5.4 kHz三个转子摆在一起，依次激励，各转各的，互不干扰。

02.

会开船的机器人：喇叭外放版和自带马达版

有了推进器，下一步就是装到机器人上。

第一版是"外放版"小船。船上装1.2 kHz谐振腔，还驮着一个螺母当负载。1.2 kHz一响，船开始往前走；调节喇叭输入电压，位移曲线越来越陡，说明加速度确实随声强增大。

这里有个必须回答的质疑：这到底是谐振腔的推力，还是喇叭直接的声辐射力在推船？

团队做了两组对照。两条一模一样的船头对头反向摆放，同一个1.2 kHz激励下，它们朝相反方向以相同速度移动；再把一条带腔的船和一条不带腔的船放在一起，不带腔的那条完全不动。

结论明确：推进来自谐振腔，喇叭的辐射力可以忽略。

这条性质其实很珍贵。它意味着用一段声波可以同时驱动多个机器人，而运动方向由谐振腔的朝向决定，不由声源决定。对比一下磁驱动：同一个磁场里的磁偶极子都倾向于对齐场方向，想让它们各走各的极其困难，通常得靠几何差异、磁性差异，或者上复杂的外部磁场发生器。

团队还给两条船装上互补的卡扣结构，让它们相向直线行驶、扣在一起，拼成了一面瑞士国旗。

真正的遥操作版本装了三个谐振腔：1.2 kHz前进，1.8 kHz顺时针，2.4 kHz逆时针。两个转向频率对应的推力不同（约15 μN和约5 μN），所以转速也略有差异，17°/s和15°/s。

在水箱底部贴一条"无穷符号"参考线，遥控小船沿线跑，平均跟踪误差5.70 mm，最大误差17.39 mm。放几个障碍物进去，也能一路绕开不碰。

但外放喇叭始终是个约束。于是团队问了个问题：如果把换能器直接贴在谐振腔上呢？

结果是可以的。结构声传播同样能激发亥姆霍兹共振，前提是换能器贴在与颈部轴向垂直的平面上。为此他们设计了钟形谐振腔——椭球腔配一个平底，既近似球腔，又给换能器留了贴合面。

换能器选型上，团队比较了偏心马达、压电片、音圈和线性共振致动器（LRA），最后选了LRA，有效工作区间230–700 Hz。据此打印了455、540、630 Hz三个谐振腔，推力随驱动电压线性增长，量级和空气声激励相当。

还有个额外惊喜：用树枝状波导把四个谐振腔连起来，单个换能器就能同时驱动，总推力接近四个腔单独激励之和。

完整的无线小船长这样：3D打印船体，三个谐振腔（540 Hz推进，455/630 Hz转向），两个LRA，一块锂聚合物电池，加一块自制PCB。板上是Arduino Nano Every主控、HC-06蓝牙、升压到5 V的Boost电路和两片双H桥驱动。端到端通信延迟约30 ms，基本是实时操控。

演示环节，这条船用轨迹写了"EPFL"四个字母，还绕着两个气球连做四圈无穷字形绕障，全程零碰撞。研究人员甚至上手吹气、推它——被打偏之后重新调整姿态，继续跑完预定路线。

04.

150微克起飞，和13000转/分

越往小做，这套方案的优势越明显。

理由有两条：一是超声波长短，焦点尺寸能压到毫米甚至亚毫米，可以精确给单个致动器"喂"能量；二是超声在人耳听觉范围之外，可以放心开大功率。

第一台飞行器由三个40 kHz谐振腔加一个轻量框架组成，双圆盘中心带孔，总重约150微克，也就是1.47 μN，用双光子聚合一体打印。

推力小到没法直接称，团队改用数值仿真：声激励下腔内出现明显压力累积，颈部两侧形成压力梯度，驱动出一股集中的高速射流。瞬时力近似正弦，但正负半周幅值不对称，时均下来是微牛量级的净推力，且随声压线性增长。

驱动平台是自建的16×16、共256个40 kHz换能器的相控阵，焦点定在阵面上方3 cm处。实测焦区声压约300 Pa，对应单腔推力2.4 μN，三个腔合起来推重比约4.9。

飞行过程是这样的：声波一开，10 ms内加速度冲到约30 m/s²，冲高到约12 mm，然后略微回落，稳定在约7 mm。这个高度上实测声压85 Pa，三腔推力算出来1.9 μN，和1.47 μN的重量接近——力平衡自洽，推力估算被验证了。

关于"是不是声辐射力在托它"，团队同样给了对照：同材料同质量的球体在同样声场里完全没反应，算出来的辐射力只有几纳牛，比推力小三个数量级；把飞行器倒过来放，一动不动。

第二台飞行器换了思路：不靠垂直射流，靠转起来产生气动升力。

三个谐振腔各带一片桨叶，对称装在双圆盘轮毂上，总重184微克，桨盘半径3.36 mm。桨叶用了圆弧翼型——低雷诺数下压力分布更有利、失速更晚——尾缘还加了Gurney襟翼，在大范围攻角内提升升力系数，阻力只小幅增加，最佳升阻比出现在约20°攻角。

实测转速在激励后迅速冲到约13000转/分，随后随高度上升回落到约6500转/分的稳态。峰值升重比约1.2。有意思的是，不同驱动电压下平衡高度不同，但稳态转速几乎不变——因为它始终只需要刚好抵消自身重量。

倒置摆放同样不起飞，再次排除了辐射力主导的可能。

团队还用一根直径30 μm的细弯丝给它规划了一条非平凡轨迹，通过移动声焦点让飞行器沿丝飞行。

最后是完全无约束的自由飞行。两种飞行器都能起飞，但表现不同：垂直射流版起飞猛、爬升快，但飞行中偶尔会翻转；旋翼版则稳定得多。团队推测是高速旋转带来的陀螺效应帮助维持了姿态，就像直升机和飞盘玩具一样。

顺便提一个对比数字：同尺寸量级的磁驱动飞行器，重量比这里的微飞行器大三个数量级。而这套方案基本不挑材料，从几MPa到几十GPa的弹性模量都能工作，唯一硬要求是——里面得有个能共振的空腔。

论文地址：

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