Máy bay nhỏ hơn hạt bụi, bay được nhờ tiếng động

Bạn đã bao giờ ghé miệng vào một cái chai thuỷ tinh rỗng rồi thổi ngang qua chưa? Chai kêu "u u" một tiếng trầm, nghe rất vui tai. Bây giờ thử tưởng tượng tiếp: nếu tiếng kêu ấy không chỉ để nghe cho vui, mà đủ sức đẩy một chiếc thuyền trôi đi thì sao?

Đó chính là thứ một nhóm nghiên cứu ở Thuỵ Sĩ vừa làm được. Họ chế ra một chiếc máy bay tí hon nặng 150 phần triệu gam, tức là nhẹ hơn một hạt bụi lớn, không có pin, không có động cơ, không có dây điện nào cả. Vậy mà nó bay tới trước được. Thứ duy nhất đẩy nó đi là âm thanh trong không khí quanh nó.

Nó là cái gì

Trái tim của phát minh này là những cái hốc rỗng cực nhỏ, giới khoa học gọi là khoang âm (acoustic cavity). Nghe thì lạ, nhưng bạn đã cầm một cái khoang âm trên tay rất nhiều lần rồi: chai thuỷ tinh chính là một cái khoang âm. Khoang âm có thể là bất kỳ cấu trúc rỗng nào, dạng tròn hoặc dạng chuông, làm bằng nhựa in ba chiều, bằng thuỷ tinh, hoặc bằng loại nhựa dẻo giống cao su.

Nhóm nghiên cứu ở phòng thí nghiệm MicroBioRobotic Systems, viết tắt là MICROBS, thuộc School of Engineering của trường EPFL, đã thu nhỏ những cái hốc ấy xuống cỡ hiển vi rồi gắn lên ba thứ khác nhau để thử.

Thứ nhất là những chiếc thuyền thu nhỏ, mỗi chiếc gắn ba khoang, mỗi khoang được chỉnh cho "ăn" một tần số âm thanh riêng. Muốn thuyền rẽ trái thì phát tần số này, muốn nó rẽ phải thì đổi sang tần số khác. Đổi tiếng là đổi hướng, không cần bánh lái, không cần chân vịt.

Thứ hai là chiếc máy bay siêu nhỏ vừa nhắc ở trên, tiếng Anh gọi là microflier, nghĩa là vật thể bay cỡ hiển vi. Nó nặng 150 phần triệu gam và mang ba khoang tí hon. Thứ đẩy nó đi là siêu âm, loại âm thanh cao quá ngưỡng tai người nghe được. Nghĩa là nếu bạn đứng cạnh, bạn sẽ thấy một chấm nhỏ tự nhiên bay đi trong im lặng hoàn toàn.

Thứ ba là kiểu ghép khoang âm với cánh quạt tí hon. Lực từ khoang làm cánh quay được 13.000 vòng mỗi phút.

Trước đây người ta làm thế nào

Chuyện dùng âm thanh để làm vật di chuyển thì không mới. Từ lâu các nhà khoa học đã biết cách nâng vật lơ lửng giữa không trung bằng sóng âm, gọi là nâng vật bằng âm (acoustic levitation). Bạn có thể đã xem đoạn phim những giọt nước treo lửng lơ giữa hai cái loa. Nhưng trong những thí nghiệm đó, giọt nước hoàn toàn thụ động. Nó chỉ nằm yên chịu trận, bị sóng âm từ bên ngoài đẩy như bị một bàn tay vô hình bóp lấy. Bỏ loa đi là nó rơi.

Còn với các thiết bị nhỏ nói chung, cách làm quen thuộc vẫn là nhét pin vào. Vấn đề là ngành nào cũng muốn thiết bị nhỏ lại: y học, hàng không vũ trụ, an ninh. Mà càng nhỏ thì càng đụng một bức tường: đến một cỡ nào đó, cục pin, cái mô tơ và các bộ phận cơ khí đơn giản là không nhét vừa nữa. Đã có cách gửi năng lượng từ xa cho máy bay không người lái bằng cách chiếu tia laser vào pin của nó, nhưng cách ấy vẫn cần một cục pin hoặc bộ tích năng lượng gắn sẵn bên trong, nên vẫn không giải được bài toán cho những thứ quá nhỏ.

Nó hơn ở điểm nào

Khác biệt nằm ở chỗ vật không còn bị đẩy nữa, mà tự lấy năng lượng để tự đi.

Hãy quay lại cái chai. Khi bạn thổi ngang miệng chai, khối khí kẹt bên trong rung rất mạnh ở một tần số riêng của nó, và tiếng ngân bạn nghe được chính là dấu hiệu của chuyện đó. Hiện tượng này gọi là cộng hưởng Helmholtz (Helmholtz resonance). Điều thú vị là khi khối khí trong khoang rung như vậy, luồng khí thổi ra khỏi miệng khoang thì gom chặt thành một tia, còn luồng khí hút ngược vào lại loe rộng ra. Hai luồng không cân nhau. Chính chỗ lệch nhau ấy sinh ra lực đẩy, và lực đẩy chính là thứ làm vật chuyển động.

Selman Sakar, trưởng phòng thí nghiệm, giải thích rằng thay vì đẩy thiết bị đi bằng sóng âm, nhóm đã tạo ra những bộ cộng hưởng âm được chỉnh theo các tần số cụ thể để sinh ra lực đẩy có hướng và chuyển động điều khiển được.

Con số ấn tượng nhất là 13.000 vòng mỗi phút của cánh quạt tí hon. Cánh quạt của máy bay không người lái thông thường quay ở mức vài nghìn vòng mỗi phút, nên con quay chạy bằng tiếng động này nhanh hơn hẳn. Và nó nhanh như vậy mà bên trong không có một mảnh pin nào.

Còn vướng ở đâu

Đây là chỗ cần đọc kỹ. Cả ba thứ vừa kể đều là bản mẫu (prototype), tức là mẫu chế ra để thử trong phòng thí nghiệm, chưa phải sản phẩm bán cho ai. Không có chiếc thuyền tí hon nào, chiếc máy bay siêu nhỏ nào đang được dùng vào việc thật ngoài đời.

Một điểm nữa dễ bị bỏ qua: thứ đẩy các thiết bị này là âm thanh do người thí nghiệm chủ động phát ra ở đúng tần số đã chỉnh sẵn cho từng khoang. Nghĩa là hiện tại vẫn phải có một nguồn phát âm ở gần. Thiết bị không cần mang pin theo, nhưng cả hệ thống thì vẫn cần năng lượng từ đâu đó. Chuyện nhặt nhạnh tiếng ồn lộn xộn có sẵn ngoài đường để chạy máy vẫn còn là chuyện của tương lai, không phải thứ đã làm xong.

Bản tin gốc do chính EPFL, nơi làm ra thiết bị, phát đi. Bản tin không cho biết nghiên cứu công bố ngày nào, đăng ở tạp chí khoa học nào, cũng không nêu tên các đồng tác giả khác ngoài Selman Sakar. Nó cũng không nói các khoang âm này bền được bao lâu, chế tạo tốn bao nhiêu tiền, hay có làm ra hàng loạt được không. Những câu hỏi đó chưa có câu trả lời, và một bài viết trung thực thì phải nói rõ là chưa có, thay vì lờ đi.

Nhóm nghiên cứu nói về tương lai thì rất hấp dẫn: robot chạy không cần pin và mô tơ, thiết bị mềm dẻo gắn nhiều khoang khác nhau, mỗi phần nghe một tần số riêng và cử động độc lập với nhau. Nhưng đó là dự tính, chưa phải việc đã làm được.

Bạn thử ở nhà

Việc này dễ và không cần mua gì. Lấy vài cái chai thuỷ tinh giống nhau, đổ nước vào mỗi chai một mức khác nhau, rồi thổi ngang qua miệng từng chai. Bạn sẽ nghe chai kêu trầm, chai kêu bổng. Trước khi tra cứu, hãy tự đoán xem: chai nhiều nước hay chai ít nước thì kêu trầm hơn, và vì sao lại thế? Chỗ khối khí bên trong chai rung lên ấy chính là cộng hưởng Helmholtz, đúng thứ mà những khoang âm cỡ hiển vi kia đang dùng.

Và một câu để nghĩ tiếp. Quanh bạn lúc nào cũng đầy tiếng động: xe cộ ngoài đường, tiếng quạt trần, tiếng người nói chuyện, tiếng chân bước ở hành lang. Toàn bộ số năng lượng đó hiện đang bị bỏ phí. Nếu có ngày người ta bắt được nó và biến thành chuyển động, bạn muốn nó chạy cái gì trước tiên?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.