史上最小飞行器，有翼微芯片仅沙粒大小，可用于环境监测
时间：2021-09-29 15:31:25
[导读]据最新一期《自然》杂志刊发的论文，西北大学的工程师为电子微芯片增加了一种新的能力：飞行。据了解，这种微芯片大概只有一粒沙子大小，另外它没有马达。相反，它在风中捕获飞行--很像枫树的螺旋桨种子--并像直升机一样在空中向地面旋转。工程师们通过研究枫树和其他类型的风散种子优化了微型飞行...
据最新一期《自然》杂志刊发的论文，西北大学的工程师为电子微芯片增加了一种新的能力：飞行。据了解，这种微芯片大概只有一粒沙子大小，另外它没有马达。相反，它在风中捕获飞行--很像枫树的螺旋桨种子--并像直升机一样在空中向地面旋转。工程师们通过研究枫树和其他类型的风散种子优化了微型飞行器的空气动力学以确保它--当在高海拔地区下降时--以一种可控的方式以缓慢的速度下降。这种行为稳定了它的飞行、确保在广泛的区域内散布并增加了它与空气互动的时间，这些使得它使成为了监测空气污染和空气传播疾病的理想选择。
作为人类有史以来最小的飞行结构，这些微型飞行器还可以装上超小型化的技术，包括传感器、电源、用于无线通信的天线和存储数据的嵌入式存储器。
西北大学的John A. Rogers表示：“我们的目标是为小规模的电子系统增加飞翼，其想法是这些能力将使我们能够分发高功能的小型化电子设备以感知环境的污染监测、人口监测或疾病跟踪。我们能利用从生物世界中获得的灵感做到这一点。在数十亿年的过程中，自然界已经设计出具有非常复杂的空气动力学的种子。我们借用了这些设计理念，对其进行了调整并将其应用于电子电路平台。”
▍我们认为我们打败了自然
大多数人都看过枫叶的螺旋桨种子在空中旋转然后轻轻地落在人行道上。这只是一个例子，说明大自然是如何进化出巧妙、复杂的方法来提高各种植物的存活率的。通过确保种子广泛传播，原本定居的植物和树木可以远距离繁殖以在广阔的地区定居。
“进化很可能是许多种类种子所展现出的复杂空气动力学特性的驱动力，”Rogers说道，“这些生物结构被设计成以一种可控的方式缓慢下降，因此它们可以跟风的模式相互作用尽可能长时间。这一特点通过纯被动的、空气中的机制最大限度地实现了横向分布。”
为了设计这种微型飞行器，西北大学的研究小组研究了许多植物种子的空气动力学，最直接的灵感来自于三星藤--一种有星形种子的开花藤蔓植物。这种种子有叶片状的翅膀，可以抓住风并慢慢地旋转。
Rogers和他的团队设计并制造了许多不同类型的微型飞行器，其中包括一种有三个翅膀的飞行器，优化后的形状和角度跟三星藻种子上的翅膀相似。为了确定最理想的结构，Huang领导了全尺寸计算模型，其模拟了设备周围的空气流动，这样就能模拟三星藤种子缓慢的、可控的旋转。
基于这种模型，Rogers的团队随后跟伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械工程副教授Leonardo Chamorro合作，他们使用先进的成像和定量流动模式的方法在实验室中建造并测试了结构。由此产生的结构可以形成各种各样的大小和形状，有些结构的性质可以跟自然媲美。
“我们认为我们战胜了自然，”Rogers说道，“至少从狭义上讲，我们已经能够建造出比你在植物或树木上看到的相同种子更稳定的轨迹和更慢的终端速度的结构。我们也能够建造这些直升机飞行结构比在自然界中发现的要小得多。这一点很重要，因为设备小型化代表了电子行业的主导发展轨迹，传感器、无线电、电池和其他组件可以以更小的尺寸制造。”
▍从植物到立体书
为了制造这些设备，Rogers的团队从另一个熟悉的新奇事物中获得了灵感：一本儿童立体书。
他的团队首先在平面几何结构中制造了飞行结构的前驱体。然后，他们将这些前体粘在稍微拉伸的橡胶基板上。当拉伸的基底松弛时就会发生受控的屈曲过程，翅膀就会“弹出”从而形成精确定义的三维形状。
Rogers说道：“这种从2D前体构建3D结构的策略非常强大，因为所有现有的半导体设备都是基于平面布局构建的。因此，我们可以利用消费电子行业使用的最先进的材料和制造方法制造出完全标准的、平面的、芯片式的设计。然后，我们根据类似于立体书的原理将它们转换成3D飞行形状。”
▍更多的设想将被实现
微型飞行器由两部分组成：毫米大小的电子功能部件和机翼。当微型飞行器在空中下落时，它的翅膀跟空气相互作用从而产生一个缓慢而稳定的旋转运动。电子元件的重量则分布在微飞片中心的较低位置，这样能防止它失去控制并混乱地坠落到地面。
在演示的例子中，Rogers团队使用的设备包括传感器、一个可以收集环境能量的电源、存储器和一个可以将数据无线传输到智能手机、平板电脑或电脑的天线。
在实验室里，Rogers的团队装备了一个设备，其中包含了所有这些元素，它用来检测空气中的微粒。在另一个例子中，他们使用了pH传感器来监测水质并使用了光电探测器来测量不同波长的阳光照射。
Rogers设想，大量的设备可以从飞机或建筑上投下并广泛分散，这样将能监测化学品泄漏后的环境修复工作或跟踪不同高度的空气污染水平。
Rogers表示：“大多数监测技术都涉及到大量的仪器设备，目的是在一个感兴趣的空间区域的少量位置收集本地数据。我们设想大量的多种微型传感器可以以高空间密度分布在大范围内从而形成无线网络。”
▍材料可自然降解
但所有的电子垃圾怎么办？对此，Rogers有一个计划。他的实验室已经开发出了瞬时电子器件，这些器件在不再需要后可以无害地溶解在水中。现在，他的团队正在使用同样的材料和技术来建造微型发射器，其能随着时间的推移在地下水中自然降解和消失。
Rogers表示：“我们使用可降解的聚合物、可堆肥的导体和可溶解的集成电路芯片来制造这种物理上的瞬时电子系统，当暴露在水中时它们会自然消失为对环境无害的最终产品。我们认识到，回收大量的微传单集合可能是困难的。为了解决这个问题，这些环境可吸收的版本会自然无害地溶解。”
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