清华大学合作研发全球最小飞行结构登上Nature封面,只有笔芯大小,灵感来自枫树种子|专访

清华大学合作研发全球最小飞行结构登上Nature封面,只有笔芯大小,灵感来自枫树种子|专访
2021年09月25日 21:31 麻省理工科技评论

这有史以来最小的人造飞行结构诞生,由十几支中外团队联合攻关。

它甚至比笔芯还小,能像种子一样在空中自旋和落下。

(来源:受访者)

微型飞行器包含两部分:电子功能部件和机翼,所有零件都是从微米到毫米级大小。

(来源:受访者)

当它在空中下落时,翅膀会和空气相互作用,借此就能做出缓慢、且稳定的旋转运动。

(来源:受访者)

9 月 23 日,相关论文成为当期 Nature 的封面论文,题目为《受风传种子启发的三维电子微型飞行器》(Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds)题。

图 | 相关论文(来源:Nature)

我们认为我们打败了自然

诗人顾城说过:“草在结它的种子,风在摇它的叶子,我们站着不说话,就十分美好。”西师大版第四册课文《骑“白马”的苍耳》有言:“蒲公英的种子,是撑着小伞,由风婆婆送来的。”在艺术作品中,种子特别是会飞的种子,始终是浪漫意象的存在。如今,种子竟然启发了一篇 Nature 封面论文。

(来源:Nature)

清华大学航天航空学院工程力学系长聘教授张一慧告诉 DeepTech ,此次论文之所以登上封面,是因为能把搭载微电子器件的飞行器做这么小,且能在空中停留较长时间,还能用于环境监测或其他信息检测。另外,科学本身也有一定艺术性,而该设备的艺术美感十分难得。

(来源:Nature)

只有笔芯大小的分散型微型飞行器,却拥有监测空气污染、空气传播疾病和环境污染等诸多本领,最重要的是它会飞。

之前的大多数电子飞行器的驱动方式都是主动型,这类微型飞行器由于机械部件和设计较为复杂,在小型化方面一定的局限性。尤其是要在小型化的同时提供飞行所消耗的巨大能量是十分困难的。

而该设备并不需要发动机驱动,而是依靠自然风的吹动来进行飞行。

(来源:受访者)

就像枫树的种子一样在空中飞翔,当它从空中降到地面上时,它也会像直升机一样,不断自旋之后即可平缓落地。

图|枫树种子(来源:Pixabay)

正是通过对枫树种子等依靠风力去接种等植物种子的研究,该团队从空气动力学方面,对微型飞行器进行了优化,从而确保它从高空降落时,能以受控的低速降落。

控制降落速度不仅能保证飞行更稳定,还能让它在空中飞行的范围可以更广阔,借此也能增加它和空气相互作用的时间,从而让它更好地监测空气污染和空气传播疾病。

微型飞行器身上配有各种超小型化技术,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等。

(来源:受访者)

美国四院院士、美国西北大学材料科学与工程系教授约翰 · A · 罗杰斯( John A. Rogers )担任论文共同通讯作者,他也是该研究的主要领导者之一,其告诉媒体该研究的主要目标是让小型电子系统具备有翼飞行的功能,从而让它分散到更远的地方,去执行环境感知、污染监测、人口监测或疾病跟踪等功能。

而此次研究之所以能成功,是因为受到了生物界的启发。在数十亿年的自然界历史中,大自然用非常复杂的空气动力学设计了种子。该研究也借鉴了这些设计理念,并应用于微型飞行器的电子电路中。

(来源:受访者)

枫叶的螺旋桨状种子,在空中旋转之后,就会缓慢平稳地降落地面,这正是大自然提高植物存活率的一个例子。正因此,原本无法自行移动的枫叶种子能传播得更广,枫树后代也能繁殖到更远的地方。

也正因此,自然界中许多种子才展现出复杂而巧妙的空气动力学特性。而在本次微型飞行器的设计过程中,该团队研究了多类植物种子的空气动力学特征,并从星果藤这一植物中找到了最直接的灵感。

星果藤是一种有着星形种子的开花藤蔓植物,它的种子拥有叶片形状的翅膀,可以在风中慢慢地随风旋转。

在设备的开发设计过程中,一开始该团队设计并制造了多款微型飞行器,其中包括一款与星果藤种子十分相似的的带有三个翅膀的飞行器。

(来源:Nature)

为了确定最理想的结构,他们进行了全尺寸计算的模型设计,通过模拟周围空气流动,最终从微型飞行器身上模拟出三星果藤种子的缓慢可控的旋转。

接下来要进行制备,研究人员使用先进成像和定量流动模式的方法,在实验室中建造并测试了微型飞行器的结构。

(来源:Nature)

在张一慧教授、美国西北大学黄永刚院士领导设计出的飞行器结构模型的基础上,罗杰斯院士带领的团队随后进一步开展了与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械工程副教授莱昂纳多·查莫罗 (Leonardo Chamorro) 之间的合作,在合作中,他们使用先进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。 

采用芯片式设计

为了制造这些设备,该团队从另一个熟悉的新奇事物中获得了灵感,很多儿童都曾读过的弹出式立体书籍。

制备中,研究人员首先在在平板中造出飞行结构的前驱体。然后,再将这些前体粘在已被稍微拉伸的橡胶基板上。

当原本被拉伸的基底出现松弛时,经过事先控的屈曲过程就会发生,这时机翼便会 “弹出” ,被精确定义的三维形状即可形成。

(来源:Nature)

这是一种从 2D 平面结构中制造 3D 结构的巧妙策略,此前曾在 2015 年登上 Science 杂志的封面。由于现有半导体设备都是基于平面结构制造的,因此他们可利用消费电子行业正使用的先进材料和制造方法,来对设备进行芯片式的设计。然后,再根据类似于弹出式书籍的原理,就能把它们转换成 3D 飞行器的形状。

此外,他们还将电子元件的重心,放在设备的较低位置,从而避免因失去控制而坠落到地面。

(来源:Science)

经过以上步骤,终于诞生出可以各种大小和形状的结构,有些结构的性质甚至能和自然种子媲美。

(来源:Nature)

Rogers院士认为从某种程度上讲,该团队战胜了自然。至少从狭义上,他们设计并制造出的微型飞行器,比植物或树木种子具备更加稳定的轨迹、以及更慢的下落速度,体积上也比很多自然界的种子要

小,甚至没有沙粒大。而设备小型化正是电子行业的主导发展轨迹。

(来源:Nature)

可用于环境监测和水质监测等

有了微型飞行器,再加上传感器、存储器、可收集环境能量的电源、和一根数据线,即可组装成空气微粒检测设备。

其实,就是让它和与物联网结合,投撒到山区和田野中,就能监测环境污染。

而给它搭载上 pH 传感器,还可用于监测水质。另外,搭载上光电探测器,则可用于测量不同波长的阳光照射。

当前,很多监测技术在实践中,都必须使用大型设备。该团队设想,如果从飞机或建筑上投下并广泛分散这类设备,就能让它执化学品泄漏后的环境修复监测,还可在不同高度的空气中跟踪污染水平。

(来源:Nature)

鉴于微型飞行器 “超迷你” 体积,那么就能高密度、大范围地分布,从而实现无线网络一般的检测。

与此同时,该团队也考虑到了可能存在的电子垃圾问题,在废弃设备回收方面,他们已开发出一种瞬态电子器件,它能在 “寿终正寝” 后,以无害的方式在水中溶解。

目前该器件以应用于生物可吸收起搏器,效果也得到了验证。目前,他们正使用同样的材料——可降解聚合物、可堆肥导体和可溶解集成电路芯片来制造微型飞行器。

未来,一旦它不小心落入水中,就能自动溶解,实现真正的 “事了拂衣去” 。

(来源:Nature)

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