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

关键字：飞行器微芯片

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[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。”