史上最小的微型人造飛行器,僅一粒沙子大,能搭載複雜積體電路

史上最小的微型人造飛行器,僅一粒沙子大,能搭載複雜積體電路

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大家都見過成熟期的蒲公英種子,風一吹,這些種子就會隨風飛揚擴散開來,能飄到更廣闊的地方落地生根。

你有沒有想過,如果這些種子換成微型感測器會有著怎樣的有趣應用呢?

近日,來自美國西北大學 Querrey Simpson 生物電子研究所的 John A. Rogers 教授領導的研究團隊,透過研究楓樹和其他類型借風播散的種子,成功研發出迄今為止最小的微型飛行器。

帶有螺旋槳葉的 3D 微型飛行器圖片來源:美國西北大學 

該飛行器大小可小於 1mm,透過高處釋放可以以受控的方式緩慢下落。這種微型飛行器非常穩定,且透過增加其與空氣相互作用時間,能完成在相當廣闊的區域內擴散。同時,這種微型飛行器可以整合感測器、電源、無線通訊、資料儲存等工具,是監測空氣污染以及空氣傳播疾病的理想選擇。

本期 Nature 封面。圖片來源:Nature 

該研究以「Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds」為題,並以封面文章的形式發表在最新一期的 Nature 雜誌上。

對此,Rogers 教授表示,「我們的目標是在小型電子系統中添加有翼飛行,因為這些功能將使我們能夠分發功能強大的小型電子設備感知環境,以進行污染檢測、人口監測或疾病跟蹤。受生物世界的啟發,我們成功做到了這一點。在數十億年的過程中,大自然設計了具有非常複雜的空氣動力學特性的種子,我們借鑒了這一理念,對其改造,並開發出了相應的電子電路平臺」。 

奇妙的種子和空氣動力學 

小時候,我們經常會看到,屋頂、瓦縫、光禿禿的懸崖上偶爾會長出一株株野草或蒼勁挺拔的大樹。這些植物是從哪裡來的呢?

長大後,我們知道,植物為了繁殖後代往往會開花結果,而它們的果實和種子常常會借助自然界的風力、雨水以及人的活動等進行移動或漂流,從而四處安家,甚至在異國他鄉落戶。

其實自然界中,植物種子有各種形狀大小,其中不少可利用風力傳播,散播遺傳物質繁殖種群。風力是最強大、應用最廣泛的一種,在理想情況下,利用氣流而優化的 3D 種子形狀可以支持受控自由下落的穩定動力學,促進長達數百公里的運輸。

史上最小的微型人造飛行器,僅一粒沙子大,能搭載複雜積體電路

植物學家根據分散載體對這些種子進行不同分類:降落傘形,如蒲公英(Taraxacum officinale);滑翔機形,如翅葫蘆(Alsomitra macrocarpa);直升機形,如梣葉槭(Acer negundo)和大葉楓(Acer macrophyllum);以及撲翼或飛旋形,如毛泡桐(Paulownia tomentosa)或臭椿(Ailanthus altissima)。

這些天然形成的各類種子形態,為設計功能性、有效載荷、空中分散的人造被動飛行器結構提供了靈感。

正如植物使用種子和被動機制傳播遺傳物質來繁殖一樣,使用類似的方法分發微型電子感測器、無線通訊節點、能量收集元件或各種物聯網(IoT)器件,也可能帶來有趣的技術應用,例如作為跟蹤環境過程的監測器,作為指導修復工作的輔助工具,或作為支援分散式監測的元件。 

從一顆種子到微電子飛行器 

長期以來,人類對飛行器的研究一直集中在主動系統上,例如4軸無人機,或受昆蟲、鳥類啟發的各種飛行器平臺。這一類飛行器的優勢在於,他們能夠在環境中獨立移動。

然而,由於尺寸和安全性問題,此類飛行器應用依舊受限。一旦縮小尺寸,此類飛行器由於動力供應不足,很難在現實環境中應用。此外,這些飛行器需要高度專業化平臺和手工技師組裝,因此無法大規模應用於集體系統,例如環境監測等等研究,畢竟成本太高。

與瓢蟲對比下的 3D 微型飛行器。圖片來源:美國西北大學 

相比之下,植物的種子一般非常輕,且往往具有非常好的空氣動力學結構,這是自然數十億年進化而來的結果,利用被動機制幫助它們四處播散。

例如,山楊的種子,5 萬粒才 4g 重;天鵝絨蘭的種子,50 萬粒才 1g 重。它們經風一吹,就能高高地飄起,並飛得很遠。

有趣的是,一些靠風傳播的果實和種子還會長出一些特殊的「飛行器」,如百合和鬱金香的種子是薄片狀的,它們在風的吹拂下,可以像滑翔機似的在空中翱翔。生長在我國南方的植物木蝴蝶,其種子的三面有「翅」,待種子成熟後,它們從裂開的果實中飛出來,仿佛一群蝴蝶在空中翩翩起舞。蒲公英的種子又輕又小,頂端長有一圈白絨毛,成熟後經風一吹,它們就漫天飛舞,宛如一朵朵降落傘飄向遠方。

有了這些特技加持,植物種子飛行的距離超乎我們的想像。例如,有研究表明,在合適的環境下,蒲公英的種子可以不耗油、不耗電,在數百公里外紮根生長。

目前,人們發現,利用風播散的植物種子往往具有特定的幾何形狀,通過在自由落體過程中增加其終端速度和空氣阻力來提高其動態穩定性和飛行距離。

因此,長期以來,人們一直試圖利用植物種子的幾何結構,設計出像蒲公英種子一樣強大、有效又安全的全新飛行器。 

史上最小的微型人造飛行器,僅一粒沙子大,能搭載複雜積體電路

突破自然,搭建最小人造飛行器 

為了設計微型飛行器,Rogers 教授帶領的研究團隊對多種植物種子的空氣動力學特徵進行了系統研究。最終,研究人員從三星果屬植物中獲得了最直接的靈感。

這是一種帶有星形種子的藤本植物,三星果屬植物種子上有類似翅膀的葉片,具有良好的空氣動力學,可以隨著風緩慢旋轉漂浮。

Rogers 教授和他的團隊設計並製造了許多不同類型的微型飛行器,其中一種就是以三星果屬植物種子為範本,在微型飛行器上加入 3 個翅膀、形狀、角度等均與三星果屬種子相似。

為了確定最理想的空氣動力學結構,西北大學麥考密克機械工程學院教授,本研究另一位重要貢獻者 Yonggang Huang,對微型飛行器空氣流動進行了全尺寸計算建模,以模擬三星果屬植物種子緩慢、受控的旋轉。

 

模仿三星果屬植物種子的微型飛行器。圖片來源:美國西北大學

最終,Rogers 教授設計出的微型飛行器由兩部分組成,公釐尺寸的電子功能零組件以及機翼。當微型飛行器在空中落下時,它的機翼與空氣相互作用以產生緩慢、穩定的旋轉運動。電子設備的重量分佈在微型飛行器中心的較低位置,以防止其失去控制並混亂地翻滾到地面。

在實驗中,研究人員概述了一種技術框架,用以生產微型(小於 1 公釐)、公釐級和宏觀(大於 1 公釐)的 3D 微電子飛片,在這個框架中,設備的 3D 形狀是使用平面製造工藝創建的——類似於半導體行業使用的製造方法。一層形狀記憶聚合物(當施加特定刺激時可恢復其原始形狀的材料)在特定位置粘結到預應變彈性體上,當應變釋放時,這些位置的相關挫曲會導致材料折疊,形狀記憶效應將飛片固定為 3D 形狀。

具體而言,飛片的製造方案利用受控機械挫曲原理,採用最先進的平面加工和光刻技術形成的平面前體結構轉換為所需的 3D 布局。釋放預拉伸彈性體基底中的應變會透過一系列結合位點對這些前體產生壓縮力,透過平面內和平面外位移和旋轉運動的連續序列引起幾何變換。

這些裝置的總體形狀(通過控制接合點的位置)、長寬比(高寬比,可調整預應變的大小)以及空氣動力學表面的數量和形狀有所不同。重要的是,由於該框架使用平面製造和光刻(表面圖案化)技術,因此可以在單個組裝過程中製作數百個採用不同參數設計的飛片,這對於將構成物聯網一部分的微設備實際應用至關重要。

史上最小的微型人造飛行器,僅一粒沙子大,能搭載複雜積體電路

具有線圈天線和用於檢測紫外線的感測器的微型飛行器。圖片來源:美國西北大學

就像種子一樣,這些 3D 平臺可以傳輸具有被動或主動功能的有效載荷,切實可行的製造方案為功能整合提供了多種可能性,幾乎涵蓋了所有形式的平面微系統、半導體技術和無線元件。這些微型飛行器可以像播撒種子一樣,從高海拔位置以分散配置釋放到大氣中,用於各種應用,包括在局部位置進行大氣監測,作為對傳統重力和光學粒子計數方法的補充。

在示範的示例中,Rogers 教授的團隊證實,感測器、可以收集環境能量的電源、記憶體、資料傳輸天線等電子器件均能整合在微型飛行器上。

隨後,在實驗室中,Rogers 教授的團隊為一個微型飛行器配備了上述所有元素,以檢測空氣中的顆粒物。另一個例子中,他們結合了可用於監測水質的 pH 感測器和用於測量不同波長陽光照射的光電探測器。

儘管本研究未明確研究風的影響,但風的影響代表了重要的實際考慮因素,隨著飛片尺寸和品質的減小,其重要性會增加。結合這些不同設計策略的布局可以提供更高級別的性能,超出在自然界中觀察到的性能。 

還有很多值得探索的升級方向 

未來,人們或許可以從飛機或建築物上拋下大量的微型飛行設備並廣泛分散,以監測化學品洩露後的環境修復工作或跟蹤不同高度的空氣污染水準。

來自美國康乃爾大學電氣和電腦工程系的專家 E.Farrell Helbling 評論稱:「本研究提供了對這些工程系統的基本理解,並提出了一些有待於未來研究解決的問題,為整合複雜的積體電路以提高飛行能力鋪平了道路。」 

史上最小的微型人造飛行器,僅一粒沙子大,能搭載複雜積體電路

Helbling 補充說,研究結果集中在直升機式和旋轉式散布方法上,需要做進一步工作,以理解飛行器在風中會有怎樣的行為,以及其他設計(降落傘形和滑翔機形飛行器)表現如何,她認為目前的工作已為增進飛行器能力鋪平了道路。

研究人員認為,對於分散式感測器和電子元件的許多應用,還必須仔細考慮有效的回收和處置方法。

考慮到這些微型飛行器廣泛應用會產生大量的電子垃圾,Rogers 教授的實驗室還開發出了可降解電子設備,在不需要後可以無害溶解在水中,與生物可吸收起搏器的工作原理相似。

對此 Rogers 教授表示,「我們使用可降解的聚合物、導體以及可溶解的積體電路晶片製造這種可降解電子設備,當它們暴露在水中時,它們最終會被降解為對環境無害的物質。畢竟,要想大規模回收這種微型飛行設備十分困難。」

總的來說,Rogers 教授及其團隊從植物種子中獲取了靈感,搭建了一個可以在微觀尺度生產飛行器的平臺。這些微型飛行器還能搭載複雜的積體電路,為未來的物聯網技術提供了更好的空間範圍,對於環境、生態研究具有重要的意義。

如果有一天從空中飄落了一些這樣的類似於種子的小小電子飛片,不必大驚小怪,這或許就是科學家們發明的大氣感測器而已。 

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