Nature封面:史上最小人造飞行器,仅一粒沙子大小,能搭载复杂集成电路

学术头条

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· 9月23日

灵感来源于会飞的种子。

文|学术头条,作者|库珀、朱哼哼,编审|王新凯

大家都见过成熟期的蒲公英种子,风一吹,这些种子就会随风飞扬扩散开来,能飘到更广阔的地方落地生根。

你有没有想过,如果这些种子换成微型传感器会有着怎样的有趣应用呢?

近日,来自美国西北大学 Querrey Simpson 生物电子研究所的 John A. Rogers 教授领导的研究团队,通过研究枫树和其他类型借风播散的种子,成功研发出迄今为止最小的微型飞行器。

图 | 带有螺旋桨叶的 3D 微型飞行器(来源:美国西北大学)

该飞行器大小可小于 1mm,通过高处释放可以以受控的方式缓慢下落。这种微型飞行器非常稳定,且通过增加其与空气相互作用时间,能实现相当广阔的区域内扩散。同时,这种微型飞行器可以集成传感器、电源、无线通信、数据存储等工具,是监测空气污染以及空气传播疾病的理想选择。

图 | 本期 Nature 封面(来源:Nature)

该研究以“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”为题,并以封面文章的形式发表在最新一期的 Nature 杂志上。

对此,Rogers 教授表示,“我们的目标是在小型电子系统中添加有翼飞行,因为这些功能将使我们能够分发功能强大的小型电子设备感知环境,以进行污染检测、人口监测或疾病跟踪。受生物世界的启发,我们成功做到了这一点。在数十亿年的过程中,大自然设计了具有非常复杂的空气动力学特性的种子,我们借鉴了这一理念,对其改造,并开发出了相应的电子电路平台”。

奇妙的种子和空气动力学

小时候,我们经常会看到,屋顶、瓦缝、光秃秃的悬崖上偶尔会长出一株株野草或苍劲挺拔的大树。这些植物是从哪里来的呢?

长大后,我们知道,植物为了繁殖后代往往会开花结果,而它们的果实和种子常常会借助自然界的风力、雨水以及人的活动等进行移动或漂流,从而四处安家,甚至在异国他乡落户。

其实自然界中,植物种子有各种形状大小,其中不少可利用风力传播,散播遗传物质繁殖种群。风力是最强大、应用最广泛的一种,在理想情况下,利用气流而优化的 3D 种子形状可以支持受控自由下落的稳定动力学,促进长达数百公里的运输。

植物学家根据分散载体对这些种子进行不同分类:降落伞形,如蒲公英(Taraxacum officinale);滑翔机形,如翅葫芦(Alsomitra macrocarpa);直升机形,如梣叶槭(Acer negundo)和大叶枫(Acer macrophyllum);以及扑翼或飞旋形,如毛泡桐(Paulownia tomentosa)或臭椿(Ailanthus altissima)。

这些天然形成的各类种子形态,为设计功能性、有效载荷、空中分散的人造被动飞行器结构提供了灵感。

正如植物使用种子和被动机制传播遗传物质来繁殖一样,使用类似的方法分发微型电子传感器、无线通信节点、能量收集组件或各种物联网(IoT)器件,也可能带来有趣的技术应用,例如作为跟踪环境过程的监测器,作为指导修复工作的辅助工具,或作为支持分布式监测的组件。

从一颗种子到微电子飞行器

长期以来,人类对飞行器的研究一直集中在主动系统上,例如4轴无人机,或受昆虫、鸟类启发的各种飞行器平台。这一类飞行器的优势在于,他们能够在环境中独立移动。

然而,由于尺寸和安全性问题,此类飞行器应用依旧受限。一旦缩小尺寸,此类飞行器由于动力供应不足,很难在现实环境中应用。此外,这些飞行器需要高度专业化平台和手工技师组装,因此无法大规模应用于集体系统,例如环境监测等等研究,毕竟成本太高。

图 | 与瓢虫对比下的 3D 微型飞行器(来源:美国西北大学)

相比之下,植物的种子一般非常轻,且往往具有非常好的空气动力学结构,这是自然数十亿年进化而来的结果,利用被动机制帮助它们四处播散。

例如,山杨的种子,5 万粒才 4g 重;天鹅绒兰的种子,50 万粒才 1g 重。它们经风一吹,就能高高地飘起,并飞得很远。

有趣的是,一些靠风传播的果实和种子还会长出一些特殊的“飞行器”,如百合和郁金香的种子是薄片状的,它们在风的吹拂下,可以像滑翔机似的在空中翱翔。生长在我国南方的植物木蝴蝶,其种子的三面有“翅”,待种子成熟后,它们从裂开的果实中飞出来,仿佛一群蝴蝶在空中翩翩起舞。蒲公英的种子又轻又小,顶端长有一圈白绒毛,成熟后经风一吹,它们就漫天飞舞,宛如一朵朵降落伞飘向远方。

有了这些特技加持,植物种子飞行的距离超乎我们的想象。例如,有研究表明,在合适的环境下,蒲公英的种子可以不耗油、不耗电,在数百公里外扎根生长。

目前,人们发现,利用风播散的植物种子往往具有特定的几何形状,通过在自由落体过程中增加其终端速度和空气阻力来提高其动态稳定性和飞行距离。

因此,长期以来,人们一直试图利用植物种子的几何结构,设计出像蒲公英种子一样强大、有效又安全的全新飞行器。

破自然,搭建最小人造飞行器

为了设计微型飞行器,Rogers 教授带领的研究团队对多种植物种子的空气动力学特征进行了系统研究。最终,研究人员从三星果属植物中获得了最直接的灵感。

这是一种带有星形种子的藤本植物,三星果属植物种子上有类似翅膀的叶片,具有良好的空气动力学,可以随着风缓慢旋转漂浮。

Rogers 教授和他的团队设计并制造了许多不同类型的微型飞行器,其中一种就是以三星果属植物种子为模版,在微型飞行器上加入 3 个翅膀、形状、角度等均与三星果属种子相似。

为了确定最理想的空气动力学结构,西北大学麦考密克机械工程学院教授,本研究另一位重要贡献者 Yonggang Huang,对微型飞行器空气流动进行了全尺寸计算建模,以模拟三星果属植物种子缓慢、受控的旋转。

图 | 模仿三星果属植物种子的微型飞行器(来源:美国西北大学)

最终,Rogers 教授设计出的微型飞行器由两部分组成,毫米尺寸的电子功能部件以及机翼。当微型飞行器在空中落下时,它的机翼与空气相互作用以产生缓慢、稳定的旋转运动。电子设备的重量分布在微型飞行器中心的较低位置,以防止其失去控制并混乱地翻滚到地面。

在实验中,研究人员概述了一种技术框架,用以生产微型(小于 1 毫米)、毫米级和宏观(大于 1 毫米)的 3D 微电子飞片,在这个框架中,设备的 3D 形状是使用平面制造工艺创建的——类似于半导体行业使用的制造方法。一层形状记忆聚合物(当施加特定刺激时可恢复其原始形状的材料)在特定位置粘结到预应变弹性体上,当应变释放时,这些位置的相关屈曲会导致材料折叠,形状记忆效应将飞片固定为 3D 形状。

具体而言,飞片的制造方案利用受控机械屈曲原理,采用最先进的平面加工和光刻技术形成的平面前体结构转换为所需的 3D 布局。释放预拉伸弹性体基底中的应变会通过一系列结合位点对这些前体产生压缩力,通过平面内和平面外位移和旋转运动的连续序列引起几何变换。

这些装置的总体形状(通过控制接合点的位置)、长宽比(高宽比,可调整预应变的大小)以及空气动力学表面的数量和形状有所不同。重要的是,由于该框架使用平面制造和光刻(表面图案化)技术,因此可以在单个组装过程中制作数百个采用不同参数设计的飞片,这对于将构成物联网一部分的微设备实际应用至关重要。

图 | 带有线圈天线和用于检测紫外线的传感器的微型飞行器(来源:美国西北大学)

就像种子一样,这些 3D 平台可以传输具有被动或主动功能的有效载荷,切实可行的制造方案为功能集成提供了多种可能性,几乎涵盖了所有形式的平面微系统、半导体技术和无线组件。这些微型飞行器可以像播撒种子一样,从高海拔位置以分散配置释放到大气中,用于各种应用,包括在局部位置进行大气监测,作为对传统重力和光学粒子计数方法的补充。

在演示的示例中,Rogers 教授的团队证实,传感器、可以收集环境能量的电源、内存、数据传输天线等电子器件均能集成在微型飞行器上。

随后,在实验室中,Rogers 教授的团队为一个微型飞行器配备了上述所有元素,以检测空气中的颗粒物。另一个例子中,他们结合了可用于监测水质的 pH 传感器和用于测量不同波长阳光照射的光电探测器。

尽管本研究未明确研究风的影响,但风的影响代表了重要的实际考虑因素,随着飞片尺寸和质量的减小,其重要性会增加。结合这些不同设计策略的布局可以提供更高级别的性能,超出在自然界中观察到的性能。

还有很多值得探索的升级方向

未来,人们或许可以从飞机或建筑物上抛下大量的微型飞行设备并广泛分散,以监测化学品泄露后的环境修复工作或跟踪不同高度的空气污染水平。

来自美国康奈尔大学电气和计算机工程系的专家 E.Farrell Helbling 评论称:“本研究提供了对这些工程系统的基本理解,并提出了一些有待于未来研究解决的问题,为整合复杂的集成电路以提高飞行能力铺平了道路。”

Helbling 补充说,研究结果集中在直升机式和旋转式散布方法上,需要做进一步工作,以理解飞行器在风中会有怎样的行为,以及其他设计(降落伞形和滑翔机形飞行器)表现如何,她认为目前的工作已为增进飞行器能力铺平了道路。

研究人员认为,对于分布式传感器和电子元件的许多应用,还必须仔细考虑有效的回收和处置方法。

考虑到这些微型飞行器广泛应用会产生大量的电子垃圾,Rogers 教授的实验室还开发出了可降解电子设备,在不需要后可以无害溶解在水中,与生物可吸收起搏器的工作原理相似。

对此 Rogers 教授表示,“我们使用可降解的聚合物、导体以及可溶解的集成电路芯片制造这种可降解电子设备,当它们暴露在水中时,它们最终会被降解为对环境无害的物质。毕竟,要想大规模回收这种微型飞行设备十分困难。”

总的来说,Rogers 教授及其团队从植物种子中获取了灵感,搭建了一个可以在微观尺度生产飞行器的平台。这些微型飞行器还能搭载复杂的集成电路,为未来的物联网技术提供了更好的空间范围,对于环境、生态研究具有重要的意义。

如果有一天从空中飘落了一些这样的类似于种子的小小电子飞片,不必大惊小怪,这或许就是科学家们发明的大气传感器而已。

参考资料:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02490-x
https://news.northwestern.edu/stories/2021/september/microflier-winged-microchip-is-smallest-ever-human-made-flying-structure

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