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(cè)
[導(dǎo)讀]據(jù)最新一期《自然》雜志刊發(fā)的論文，西北大學(xué)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(dá)。相反，它在風(fēng)中捕獲飛行--很像楓樹的螺旋槳種子--并像直升機(jī)一樣在空中向地面旋轉(zhuǎn)。工程師們通過(guò)研究楓樹和其他類型的風(fēng)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(xué)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(dá)。相反，它在風(fēng)中捕獲飛行--很像楓樹的螺旋槳種子--并像直升機(jī)一樣在空中向地面旋轉(zhuǎn)。工程師們通過(guò)研究楓樹和其他類型的風(fēng)散種子優(yōu)化了微型飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)以確保它--當(dāng)在高海拔地區(qū)下降時(shí)--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(dòng)的時(shí)間，這些使得它使成為了監(jiān)測(cè)空氣污染和空氣傳播疾病的理想選擇。
作為人類有史以來(lái)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(wú)線通信的天線和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的嵌入式存儲(chǔ)器。
西北大學(xué)的John A. Rogers表示：“我們的目標(biāo)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(cè)、人口監(jiān)測(cè)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(diǎn)。在數(shù)十億年的過(guò)程中，自然界已經(jīng)設(shè)計(jì)出具有非常復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)的種子。我們借用了這些設(shè)計(jì)理念，對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整并將其應(yīng)用于電子電路平臺(tái)?！?/span>
▍我們認(rèn)為我們打敗了自然
大多數(shù)人都看過(guò)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(gè)例子，說(shuō)明大自然是如何進(jìn)化出巧妙、復(fù)雜的方法來(lái)提高各種植物的存活率的。通過(guò)確保種子廣泛傳播，原本定居的植物和樹木可以遠(yuǎn)距離繁殖以在廣闊的地區(qū)定居。
“進(jìn)化很可能是許多種類種子所展現(xiàn)出的復(fù)雜空氣動(dòng)力學(xué)特性的驅(qū)動(dòng)力，”Rogers說(shuō)道，“這些生物結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成以一種可控的方式緩慢下降，因此它們可以跟風(fēng)的模式相互作用盡可能長(zhǎng)時(shí)間。這一特點(diǎn)通過(guò)純被動(dòng)的、空氣中的機(jī)制最大限度地實(shí)現(xiàn)了橫向分布?！?/span>
為了設(shè)計(jì)這種微型飛行器，西北大學(xué)的研究小組研究了許多植物種子的空氣動(dòng)力學(xué)，最直接的靈感來(lái)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(fēng)并慢慢地旋轉(zhuǎn)。
Rogers和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(gè)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(dǎo)了全尺寸計(jì)算模型，其模擬了設(shè)備周圍的空氣流動(dòng)，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(tuán)隊(duì)隨后跟伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校機(jī)械工程副教授Leonardo Chamorro合作，他們使用先進(jìn)的成像和定量流動(dòng)模式的方法在實(shí)驗(yàn)室中建造并測(cè)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(rèn)為我們戰(zhàn)勝了自然，”Rogers說(shuō)道，“至少?gòu)莫M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(jī)飛行結(jié)構(gòu)比在自然界中發(fā)現(xiàn)的要小得多。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵O(shè)備小型化代表了電子行業(yè)的主導(dǎo)發(fā)展軌跡，傳感器、無(wú)線電、電池和其他組件可以以更小的尺寸制造?！?/span>
▍從植物到立體書
為了制造這些設(shè)備，Rogers的團(tuán)隊(duì)從另一個(gè)熟悉的新奇事物中獲得了靈感：一本兒童立體書。
他的團(tuán)隊(duì)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(dāng)拉伸的基底松弛時(shí)就會(huì)發(fā)生受控的屈曲過(guò)程，翅膀就會(huì)“彈出”從而形成精確定義的三維形狀。
Rogers說(shuō)道：“這種從2D前體構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)的策略非常強(qiáng)大，因?yàn)樗鞋F(xiàn)有的半導(dǎo)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(fèi)電子行業(yè)使用的最先進(jìn)的材料和制造方法制造出完全標(biāo)準(zhǔn)的、平面的、芯片式的設(shè)計(jì)。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(shí)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(jī)翼。當(dāng)微型飛行器在空中下落時(shí)，它的翅膀跟空氣相互作用從而產(chǎn)生一個(gè)緩慢而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(tuán)隊(duì)使用的設(shè)備包括傳感器、一個(gè)可以收集環(huán)境能量的電源、存儲(chǔ)器和一個(gè)可以將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)、平板電腦或電腦的天線。
在實(shí)驗(yàn)室里，Rogers的團(tuán)隊(duì)裝備了一個(gè)設(shè)備，其中包含了所有這些元素，它用來(lái)檢測(cè)空氣中的微粒。在另一個(gè)例子中，他們使用了pH傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)水質(zhì)并使用了光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量不同波長(zhǎng)的陽(yáng)光照射。
Rogers設(shè)想，大量的設(shè)備可以從飛機(jī)或建筑上投下并廣泛分散，這樣將能監(jiān)測(cè)化學(xué)品泄漏后的環(huán)境修復(fù)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(cè)技術(shù)都涉及到大量的儀器設(shè)備，目的是在一個(gè)感興趣的空間區(qū)域的少量位置收集本地?cái)?shù)據(jù)。我們?cè)O(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(wú)線網(wǎng)絡(luò)。”
▍材料可自然降解
但所有的電子垃圾怎么辦？對(duì)此，Rogers有一個(gè)計(jì)劃。他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)出了瞬時(shí)電子器件，這些器件在不再需要后可以無(wú)害地溶解在水中。現(xiàn)在，他的團(tuán)隊(duì)正在使用同樣的材料和技術(shù)來(lái)建造微型發(fā)射器，其能隨著時(shí)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(dǎo)體和可溶解的集成電路芯片來(lái)制造這種物理上的瞬時(shí)電子系統(tǒng)，當(dāng)暴露在水中時(shí)它們會(huì)自然消失為對(duì)環(huán)境無(wú)害的最終產(chǎn)品。我們認(rèn)識(shí)到，回收大量的微傳單集合可能是困難的。為了解決這個(gè)問題，這些環(huán)境可吸收的版本會(huì)自然無(wú)害地溶解?！?/span>
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