中美韩团队创有史以来最小电子飞行器：种子启发以风为动力

风传种子具有适应风力传播的分外构造。
受其启示，来自中国、美国和韩国的联合研究团队设计了有史以来最小的电子翱翔器——不用马达、以风为动力的被动微翱翔器。

这种翱翔器能实现永劫光（其着落速率约为雪花均匀着落速率的1/8）、远间隔翱翔。
在翱翔器中集成微电子器件，可用于监测空气污染物、城市传染病病原体分布等。

Nature封面

该研究近日以封面论文的形式揭橥在著名学术期刊《Nature》上，标题为《Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds》（风传种子启示的三维微电子翱翔器）。

论文共有37位作者。
清华大学航天航空学院张一慧教授、美国西北大学黄永刚院士、美国西北大学John A. Rogers院士和美国伊利诺伊大学喷鼻香槟分校Leonardo Chamorro副教授为论文的共同通讯作者。
韩国崇实大学助理教授Bong Hoon Kim、剑桥大学博士后厉侃、美国西北大学博士后Jin-Tae Kim和Yoon seok Park为论文的共同第一作者。

到目前为止，对翱翔器的研究大多集中在主动式翱翔器上，由于这类翱翔用具有在环境中自主运动的上风。

那么，为什么要研究被动式翱翔器？

“传统微翱翔器常日利用扑翼、旋翼或喷气的主动驱动办法来供应翱翔的动力，但此类主动驱动办法须要较大的能量供给，难以实现永劫光滞空与远间隔巡航。
此外，主动驱动的组件构造每每较为繁芜，小型化难度极大，且事情时会产生难以肃清的噪音，这些特性使得主动驱动微翱翔器难以实现小型化、暗藏化。
”张一慧向澎湃新闻（www.thepaper.cn）阐明道。

“我们的目标是在小型电子系统中添加有翼翱翔，由于这些功能将使我们能够分发功能强大的小型电子设备来感知环境，以进行污染监测、人口监测或疾病跟踪。
” John A. Rogers表示。

设计被动微翱翔器的过程中，为什么会想到借鉴风传种子？

“风传种子历经千、万年的自然选择蜕变，其分外的几何构造与精妙的力学设计可以使其在自身无主动驱动力的情形下被动地随风自由翱翔几公里乃至更远的间隔。
风传植物种子的构造多种多样，例如蒲公英种子，它可以像降落伞一样在空气中缓慢降落；或者星果藤种子，可以像竹蜻蜓一样实现旋转着落的翱翔模式；又或是大叶枫、梣叶槭、花楹、龙脑喷鼻香种子等。
” 张一慧表示。

植物通过各种各样的被动策略来传播种子，每一种策略都是不断自然选择的结果。
根据种子的传播载体可将传播办法分为：重力、机器推进、风、水和动物传播。
个中，风力传播的适用范围最广。

风传种子常日有四种形状：降落伞形，如蒲公英；滑翔机形，如翅葫芦；直升机形，如梣叶槭和大叶枫；扑翼或飞旋形，如毛泡桐或臭椿。

这些构造为被动翱翔器的构造设计供应灵感。
研究职员把稳到，被动扩散具有高空间范围和低能耗特色，通过类似办法来分布微型电子传感器、无线通信节点、能量网络组件和各种物联网可能带来有趣的机会。
“一种范例的风传种子——星果藤种子为我们供应了实现稳定滞空着落的启示。
这栽种物种子，在空中旋转飘落，利用其自身三维构造，保持构造着落姿态的稳定性，实现构造的永劫光滞空。
”张一慧先容道。

风传种子启示的三维微翱翔器

他表示，将一个材料像纸张一样展开，使其纸面方向保持水平，可以降落其达到匀速着落状态下的终极速率。
然而，实际着落过程中，这种二维构造难以保持水平，极易发生翻转、颤动等。

“风传种子的三维构造为这一难题供应理解决方案，通过利用三维构造保持构造的着落稳定性，可以实现构造的永劫光滞空。
三维构造的手性可使其不才落过程中绕自身中央轴旋转，这种旋转可进一步加强构造的稳定性。
”

受风传种子的启示，研究团队设计了一系列翱翔器，大小从微型（小于1毫米）到大型（大于1毫米）。
研究职员利用仿照和风洞实验，研究了改变设计参数如翱翔器直径、构造和翼型的空气动力学影响。
他们采取2015年互助提出的屈曲力学勾引的三维组装方法，将二维先驱体构造选择地粘接在预拉伸基底，并通过开释预应变实现构造的压缩屈曲，进而完成二维到三维构型的转变。

三维微翱翔器构造的勾引屈曲组装过程 图片来源：清华大学官网

微型翱翔器由两部分组成：电子功能部件、机翼。
当微型翱翔器在空中落下时，它的机翼与空气相互浸染以产生缓慢、稳定的旋转运动。
电子设备的重量分布在翱翔器中央的较低位置，以防止翱翔过程失落控、翻滚到地面。

张一慧先容称，以风传种子为灵感设计的这类具有良好滞空性、以风为动力的被动衰落翱翔器，可以在上面集成无线传输天线、微掌握芯片以及多个紫外传感器。
将其在高空开释后，能够在广阔空间内对空气污染物进行永劫光实时监测等。

三维微翱翔器构造及空气污染物检测演示 图片来源：清华大学官网

“由于其着落速率慢（约0.28m/s，只有雪花均匀着落速率的1/8旁边）、有较好的翱翔稳定性，又能像植物种子一样广泛播撒的特性，使其有望成为未来翱翔器‘物联网’的节点，构建具有超高空间深度与韶光广度的低本钱实时监测系统，助力未来疫情监测与病毒防控。
”

提及此项研究的紧张困难，张一慧指出两点：第一，理解自然界风传种子如何利用自身构造尽可能地增加滞空翱翔韶光，并实现稳定着落，第二，将理论预测设计的三维构型制造出来，并在几毫米到几厘米的尺度上集成微电子器件。

对付第一点，张一慧表示，“捉住繁芜自然征象的紧张抵牾，抽象为基本的科学问题，是个中的难点和关键。
无论是自然界的种子或我们设计的微翱翔器，滞空能力是其可以在空气中永劫光自由翱翔的关键，其终端速率（达到匀速着落状态下的终极速率）是衡量滞空能力的主要指标。
物体在空气中达到匀速着落状态时，空气对物体的阻力与物体自身重力等值。
而该阻力常日与着落速率、迎风面积正干系，因此尽可能的增大迎风面积是降落终端速率的关键。
”

“为了深入理解和剖析这一征象，我们通过流体力学数值打算仿照了这一着落过程，并建立了相应的理论模型，系统地揭示了旋落过程的运动机理，并成功预测了不同构造的终端速率，与数值仿照、着落实验结果吻合良好。
此外，耦合空气浸染力的旋转动力稳定性模型为此类翱翔器的旋转着落稳定性供应了理论根本，为此类微翱翔器设计供应了辅导方案。
同时，我们的互助者通过粒子图像测速法（PIV），得到了三维翱翔器旋落状态下高精度的流场图，印证了我们的理论预测。
”

对付第二点，张一慧表示，“我们采取了与黄永刚、John Rogers课题组在2015年互助提出的屈曲力学勾引的三维自组装方案（Science 2015, 347: 154-159；封面文章），将二维先驱体构造有选择地粘接在预拉伸的弹性基底上，通过开释基底的预应变实现先驱体构造的压缩屈曲，完成二维到三维构型的转变。
更主要的是，这种2D到3D的成型方法，兼容当前的平面微电子加工工艺。
我们利用有限元仿照展示了这一繁芜电子系统的组装过程，并通过精确的力学剖析担保了微电子器件在变形与着落过程中不会破坏。
”

任务编辑：李跃群

校正：丁晓