史上最小飛行器，有翼微芯片僅沙粒大小，可用于環(huán)境監(jiān)測
[導讀]據(jù)最新一期《自然》雜志刊發(fā)的論文，西北大學的工程師為電子微芯片增加了一種新的能力：飛行。據(jù)了解，這種微芯片大概只有一粒沙子大小，另外它沒有馬達。相反，它在風中捕獲飛行--很像楓樹的螺旋槳種子--并像直升機一樣在空中向地面旋轉(zhuǎn)。工程師們通過研究楓樹和其他類型的風散種子優(yōu)化了微型飛行...
據(jù)最新一期《自然》雜志刊發(fā)的論文，西北大學的工程師為電子微芯片增加了一種新的能力：飛行。據(jù)了解，這種微芯片大概只有一粒沙子大小，另外它沒有馬達。相反，它在風中捕獲飛行--很像楓樹的螺旋槳種子--并像直升機一樣在空中向地面旋轉(zhuǎn)。工程師們通過研究楓樹和其他類型的風散種子優(yōu)化了微型飛行器的空氣動力學以確保它--當在高海拔地區(qū)下降時--以一種可控的方式以緩慢的速度下降。這種行為穩(wěn)定了它的飛行、確保在廣泛的區(qū)域內(nèi)散布并增加了它與空氣互動的時間，這些使得它使成為了監(jiān)測空氣污染和空氣傳播疾病的理想選擇。
作為人類有史以來最小的飛行結(jié)構(gòu)，這些微型飛行器還可以裝上超小型化的技術(shù)，包括傳感器、電源、用于無線通信的天線和存儲數(shù)據(jù)的嵌入式存儲器。
西北大學的John A. Rogers表示：“我們的目標是為小規(guī)模的電子系統(tǒng)增加飛翼，其想法是這些能力將使我們能夠分發(fā)高功能的小型化電子設(shè)備以感知環(huán)境的污染監(jiān)測、人口監(jiān)測或疾病跟蹤。我們能利用從生物世界中獲得的靈感做到這一點。在數(shù)十億年的過程中，自然界已經(jīng)設(shè)計出具有非常復雜的空氣動力學的種子。我們借用了這些設(shè)計理念，對其進行了調(diào)整并將其應用于電子電路平臺。”
▍我們認為我們打敗了自然
大多數(shù)人都看過楓葉的螺旋槳種子在空中旋轉(zhuǎn)然后輕輕地落在人行道上。這只是一個例子，說明大自然是如何進化出巧妙、復雜的方法來提高各種植物的存活率的。通過確保種子廣泛傳播，原本定居的植物和樹木可以遠距離繁殖以在廣闊的地區(qū)定居。
“進化很可能是許多種類種子所展現(xiàn)出的復雜空氣動力學特性的驅(qū)動力，”Rogers說道，“這些生物結(jié)構(gòu)被設(shè)計成以一種可控的方式緩慢下降，因此它們可以跟風的模式相互作用盡可能長時間。這一特點通過純被動的、空氣中的機制最大限度地實現(xiàn)了橫向分布?！?/span>
為了設(shè)計這種微型飛行器，西北大學的研究小組研究了許多植物種子的空氣動力學，最直接的靈感來自于三星藤--一種有星形種子的開花藤蔓植物。這種種子有葉片狀的翅膀，可以抓住風并慢慢地旋轉(zhuǎn)。
Rogers和他的團隊設(shè)計并制造了許多不同類型的微型飛行器，其中包括一種有三個翅膀的飛行器，優(yōu)化后的形狀和角度跟三星藻種子上的翅膀相似。為了確定最理想的結(jié)構(gòu)，Huang領(lǐng)導了全尺寸計算模型，其模擬了設(shè)備周圍的空氣流動，這樣就能模擬三星藤種子緩慢的、可控的旋轉(zhuǎn)。
基于這種模型，Rogers的團隊隨后跟伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械工程副教授Leonardo Chamorro合作，他們使用先進的成像和定量流動模式的方法在實驗室中建造并測試了結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可以形成各種各樣的大小和形狀，有些結(jié)構(gòu)的性質(zhì)可以跟自然媲美。
“我們認為我們戰(zhàn)勝了自然，”Rogers說道，“至少從狹義上講，我們已經(jīng)能夠建造出比你在植物或樹木上看到的相同種子更穩(wěn)定的軌跡和更慢的終端速度的結(jié)構(gòu)。我們也能夠建造這些直升機飛行結(jié)構(gòu)比在自然界中發(fā)現(xiàn)的要小得多。這一點很重要，因為設(shè)備小型化代表了電子行業(yè)的主導發(fā)展軌跡，傳感器、無線電、電池和其他組件可以以更小的尺寸制造。”
▍從植物到立體書
為了制造這些設(shè)備，Rogers的團隊從另一個熟悉的新奇事物中獲得了靈感：一本兒童立體書。
他的團隊首先在平面幾何結(jié)構(gòu)中制造了飛行結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體。然后，他們將這些前體粘在稍微拉伸的橡膠基板上。當拉伸的基底松弛時就會發(fā)生受控的屈曲過程，翅膀就會“彈出”從而形成精確定義的三維形狀。
Rogers說道：“這種從2D前體構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)的策略非常強大，因為所有現(xiàn)有的半導體設(shè)備都是基于平面布局構(gòu)建的。因此，我們可以利用消費電子行業(yè)使用的最先進的材料和制造方法制造出完全標準的、平面的、芯片式的設(shè)計。然后，我們根據(jù)類似于立體書的原理將它們轉(zhuǎn)換成3D飛行形狀?！?/span>
▍更多的設(shè)想將被實現(xiàn)
微型飛行器由兩部分組成：毫米大小的電子功能部件和機翼。當微型飛行器在空中下落時，它的翅膀跟空氣相互作用從而產(chǎn)生一個緩慢而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運動。電子元件的重量則分布在微飛片中心的較低位置，這樣能防止它失去控制并混亂地墜落到地面。
在演示的例子中，Rogers團隊使用的設(shè)備包括傳感器、一個可以收集環(huán)境能量的電源、存儲器和一個可以將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)街悄苁謾C、平板電腦或電腦的天線。
在實驗室里，Rogers的團隊裝備了一個設(shè)備，其中包含了所有這些元素，它用來檢測空氣中的微粒。在另一個例子中，他們使用了pH傳感器來監(jiān)測水質(zhì)并使用了光電探測器來測量不同波長的陽光照射。
Rogers設(shè)想，大量的設(shè)備可以從飛機或建筑上投下并廣泛分散，這樣將能監(jiān)測化學品泄漏后的環(huán)境修復工作或跟蹤不同高度的空氣污染水平。
Rogers表示：“大多數(shù)監(jiān)測技術(shù)都涉及到大量的儀器設(shè)備，目的是在一個感興趣的空間區(qū)域的少量位置收集本地數(shù)據(jù)。我們設(shè)想大量的多種微型傳感器可以以高空間密度分布在大范圍內(nèi)從而形成無線網(wǎng)絡?！?/span>
▍材料可自然降解
但所有的電子垃圾怎么辦？對此，Rogers有一個計劃。他的實驗室已經(jīng)開發(fā)出了瞬時電子器件，這些器件在不再需要后可以無害地溶解在水中。現(xiàn)在，他的團隊正在使用同樣的材料和技術(shù)來建造微型發(fā)射器，其能隨著時間的推移在地下水中自然降解和消失。
Rogers表示：“我們使用可降解的聚合物、可堆肥的導體和可溶解的集成電路芯片來制造這種物理上的瞬時電子系統(tǒng)，當暴露在水中時它們會自然消失為對環(huán)境無害的最終產(chǎn)品。我們認識到，回收大量的微傳單集合可能是困難的。為了解決這個問題，這些環(huán)境可吸收的版本會自然無害地溶解。”
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