西北大学的工程师为电子微芯片添加了一项新功能：飞行。
大约一粒沙子大小的新型飞行微芯片(或“微型飞行器”)没有马达或引擎。相反，它顺风飞行——很像枫树的螺旋桨种子——并像直升机一样在空中旋转，飞向地面。
通过研究枫树和其他类型的风散种子，工程师优化了微型飞行器的空气动力学，以确保它在高海拔下降时以受控方式以慢速下降。这种行为稳定了它的飞行，确保了它在广阔区域的扩散，并增加了它与空气相互作用的时间，使其成为监测空气污染和空气传播疾病的理想选择。
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采用超小型化技术，包括传感器、电源、用于无线通信的天线和用于存储数据的嵌入式存储器。
这项研究刊登在 9 月 23 日的《自然》杂志的封面上。
西北大学的约翰说：“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，以感知环境，以进行污染监测、人口监测或疾病跟踪。” A. Rogers，领导设备开发。“我们能够使用受生物世界启发的想法来做到这一点。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。我们借用了这些设计概念，对其进行了调整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里教授，也是奎里辛普森生物电子学研究所的主任。麦考密克机械工程学院 Jan and Marcia Achenbach 教授 Yonggang Huang 领导了这项研究的理论工作。
“我们认为我们战胜了自然”
大多数人都看过枫叶旋转的螺旋桨种子在空中旋转并轻轻落在人行道上。这只是大自然如何进化出巧妙、复杂的方法来增加各种植物生存的一个例子。通过确保种子广泛分布，否则久坐不动的植物和树木可以在很远的距离内繁殖它们的物种，以在广阔的地区繁殖。
“进化可能是许多种类的种子表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受控的方式缓慢下降，因此它们可以在尽可能长的时间内与风模式相互作用。这一特征通过纯粹的被动空中机制最大化了横向分布。”
为了设计微型飞行器，西北大学的团队研究了许多植物种子的空气动力学，从三元属植物中汲取了最直接的灵感，这是一种带有星形种子的开花藤本植物。Tristellateia 种子有带叶片的翅膀，可以抓住风以缓慢的旋转旋转落下。
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，其中一种带有三个翅膀，优化为与三星种子上的翅膀相似的形状和角度。为了确定最理想的结构，Huang 领导了对空气如何在设备周围流动的全尺寸计算建模，以模拟三星种子缓慢、受控的旋转。
基于这种建模，Rogers 的小组随后在实验室中构建并测试了结构，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，使用先进的成像和量化流动模式的方法。
由此产生的结构可以形成各种尺寸和形状，其中一些具有可以让自然物有所值的特性。
“我们认为我们战胜了自然，”罗杰斯说。“至少在狭义上，我们已经能够建造出具有更稳定的轨迹和更慢的终端速度的结构，而不是你从植物或树木中看到的等效种子。我们还能够建造这些直升机飞行结构的尺寸比自然界中发现的要小得多。这很重要，因为设备小型化代表了电子行业的主要发展轨迹，传感器、无线电、电池和其他组件可以以更小的尺寸构建。”
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汲取了灵感：一本儿童立体书。
他的团队首先制造了平面几何形状的飞行结构的前体。然后，他们将这些前体结合到稍微拉伸的橡胶基材上。当拉伸的基材松弛时，会发生受控的屈曲过程，使机翼“弹出”成精确定义的 3D 形式。
“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器件都是在平面布局中构建的，”罗杰斯说。“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来制作完全标准的、扁平的、类似芯片的设计。然后，我们只需按照类似于流行音乐的原理将它们转换成 3D 飞行形状——上书。”
装满承诺
微型飞行器由两部分组成：毫米尺寸的电子功能部件及其机翼。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。
在演示的示例中，罗杰斯的团队包括传感器、可以收集环境能量的电源、内存存储和可以将数据无线传输到智能手机、平板电脑或计算机的天线。
在实验室中，Rogers 的团队为一台设备配备了所有这些元素来检测空气中的颗粒物。在另一个例子中，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的阳光照射的光电探测器。
罗杰斯设想可以从飞机或建筑物上抛下大量设备并广泛分散，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。
“大多数监控技术都涉及大量仪器，旨在在感兴趣的空间区域的少数位置本地收集数据，”罗杰斯说。“我们设想大量微型传感器可以以高空间密度分布在大面积区域，以形成无线网络。”
消失的行为
但是所有的电子垃圾呢?罗杰斯对此有一个计划。他的实验室已经开发出瞬态电子器件，在不再需要它们后可以无害地溶解在水中——正如最近关于生物可吸收起搏器的工作所证明的那样。现在他的团队正在使用相同的材料和技术制造微型飞行器，随着时间的推移，这些微型飞行器会自然降解并消失在地下水中.
“我们使用可降解的聚合物、可堆肥的导体和可溶解的集成电路芯片制造这种物理瞬态电子系统，当它们暴露在水中时，这些芯片会自然消失成对环境无害的最终产品，”罗杰说。“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，这些环境可吸收的版本会自然无害地溶解。”
这项名为“受风散种子启发的三维电子微型飞行器”的研究得到了西北大学 Querrey Simpson 生物电子学研究所的支持。除了Rogers和Huang之外，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。该论文的第一作者是韩国 Soongsil 大学的 Bong Hoon Kim、中国华中科技大学的 Kan Li 以及 Jin-Tae Kim 和 Yoonseok Park，他们都在西北大学的 Rogers 实验室。
