有翼微芯片是有史以来最小的人造飞行结构——一粒沙子大小

与蚂蚁相比

一个3D微型飞行器放在一只普通的蚂蚁旁边显示比例。信贷:西北大学

一粒沙粒大小的分散微型飞行器可以监测空气污染、空气传播疾病和环境污染。

西北大学工程师们给电子微芯片增加了一项新功能:飞行。

这种只有一粒沙子大小的新型飞行微芯片(或称“微飞片”)没有发动机。相反,它在风中飞行——很像枫树的螺旋桨种子——并像直升机一样从空中飞向地面。

通过研究枫树和其他风传播的种子,工程师们优化了微型飞行器的空气动力学,以确保它在高海拔降落时以受控的低速降落。这种行为稳定了它的飞行,确保了它在广阔的区域内分散,并增加了它与空气相互作用的时间,使它成为监测空气污染和空气传播疾病的理想工具。

3D Microflier特写

这是一个装有线圈天线和紫外线传感器的3D微型飞行器的特写。信贷:西北大学

作为有史以来最小的人造飞行结构,这些微型飞行器还可以配备超小型化技术,包括传感器、电源、无线通信天线和存储数据的嵌入式存储器。

该研究刊登在了2021年9月23日的《科学》杂志的封面上自然

“我们的目标是在小型电子系统中增加有翼飞行,这些功能将使我们能够分布高功能的微型化电子设备,以感知环境,进行污染监测、人口监测或疾病跟踪。”西北大学的约翰·a·罗杰斯说,他领导了该设备的开发。“我们能够利用生物界启发的想法来做到这一点。在数十亿年的过程中,大自然用非常复杂的空气动力学设计了种子。我们借鉴了这些设计理念,并将其应用于电子电路平台。”

作为生物电子学的先驱,罗杰斯是麦考密克工程学院和范伯格医学院材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯利·奎雷教授,也是奎雷·辛普森生物电子学研究所的主任。麦考密克大学机械工程学院Jan and Marcia Achenbach教授黄永刚领导了这项研究的理论工作。

“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,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,”罗杰斯说。“这些生物结构被设计成以一种可控的方式缓慢下降,因此它们可以与风的模式相互作用尽可能长时间。这一功能通过纯粹的被动空中机构最大限度地提高横向分布。”

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。飞蛾的种子有叶片状的翅膀,可以抓住风,慢慢地旋转。

罗杰斯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与三星藻种子上的翅膀相似。为了确定最理想的结构,黄领导了全尺寸计算模型,模拟了设备周围的空气流动,以模拟tristellateia种子缓慢的、可控的旋转。

基于这种模型,Rogers的团队随后与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械工程副教授Leonardo Chamorro合作,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与自然媲美。

“我们认为我们战胜了自然,”罗杰斯说。“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,罗杰斯的团队从另一个熟悉的新奇事物中获得了灵感:一本儿童弹出式书籍。

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,机翼会“弹出”,形成精确定义的三维形状。

Rogers说:“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,制造完全标准的、平面的、芯片式的设计。然后,我们根据类似于弹出式书籍的原理,将它们转换成3D飞行形状。”

挤满了承诺

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,它的翅膀与空气相互作用,从而产生一个缓慢而稳定的旋转运动。电子元件的重量分布在微飞片中心的较低位置,以防止它失去控制并混乱地坠落到地面。

在演示的例子中,罗杰斯的团队包括传感器、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,罗杰斯的团队装备了一个设备,其中包含了所有这些元素,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。

罗杰斯设想,大量的设备可以从飞机或建筑上投下,并广泛分散,以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说:“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,形成无线网络。”

消失的行为

但是那些电子垃圾怎么办?罗杰斯对此有个计划。他的实验室已经开发出了一种瞬态电子器件,可以在不再需要的时候在水中无害地溶解在最近的生物可吸收起搏器研究中得到证实.现在,他的团队正在使用同样的材料和技术来建造微型飞行器,这种飞行器会随着时间的推移自然降解并消失在地下水中。

Roger说:“我们使用可降解聚合物、可堆肥导体和可溶解集成电路芯片来制造这种物理瞬态电子系统,当暴露在水中时,它们会自然地消失在对环境无害的最终产品中。”“我们认识到,回收大量微型飞行器可能很困难。为了解决这个问题,这些环保可吸收的版本会自然无害地溶解。”

参考:“三维电子microfliers受风种子”Bong胡恩金姆,菅直人Li Jin-Tae Kim Yoonseok公园,Hokyung张成泽,Xueju Wang Zhaoqian谢,唱分钟赢了,Hong-Joon Yoon, Geumbee Lee Woo金张成泽,库恩Hyuck李,Ted涌,耶青紫色荣格,Seung Yun Heo, Yechan Lee Juyun金腾飞Cai, Yeonha金,Poom Prasopsukh, yongjun Yu, xininge Yu, raaudel Avila, Haiwen Luan, Honglie Song, Feng Zhu, Ying Zhao, Lin Chen, Seung Ho Han, Jiwoong Kim, Soong Ju Oh, Heon Lee, Chi Hwan Lee, Yonggang Huang, Leonardo P. Chamorro, Yihui Zhang and John A. Rogers, 2021年9月22日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03847 - y

这项研究得到了西北大学奎雷·辛普森生物电子学研究所的支持。除了Rogers和Huang,共同通讯作者还包括伊利诺伊大学的Leonardo Chamorro和中国清华大学的Yihui Zhang。这篇论文的最初作者是韩国崇实大学的Bong Hoon Kim,中国华中科技大学的Kan Li,以及西北罗杰斯实验室的Jin-Tae Kim和yoon - seok Park。

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