全球最小飛行結(jié)構(gòu) 只有筆芯大小，靈感來自楓樹種子

這有史以來最小的人造飛行結(jié)構(gòu)誕生，由十幾支中外團隊聯(lián)合攻關(guān)。

它甚至比筆芯還小，能像種子一樣在空中自旋和落下。

微型飛行器包含兩部分：電子功能部件和機翼，所有零件都是從微米到毫米級大小。

當(dāng)它在空中下落時，翅膀會和空氣相互作用，借此就能做出緩慢、且穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運動。

相關(guān)論文成為當(dāng)期Nature的封面論文，題目為《受風(fēng)傳種子啟發(fā)的三維電子微型飛行器》題。

微型飛行器

微型飛行器比筆芯還小

“我們認(rèn)為我們打敗了自然”

詩人顧城說過：“草在結(jié)它的種子，風(fēng)在搖它的葉子，我們站著不說話，就十分美好?！蔽鲙煷蟀娴谒膬哉n文《騎“白馬”的蒼耳》有言：“蒲公英的種子，是撐著小傘，由風(fēng)婆婆送來的。”

在藝術(shù)作品中，種子特別是會飛的種子，始終是浪漫意象的存在。如今，種子竟然啟發(fā)了一篇Nature封面論文。

論文封面

清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系長聘教授張一慧表示，此次論文之所以登上封面，是因為能把搭載微電子器件的飛行器做這么小，且能在空中停留較長時間，還能用于環(huán)境監(jiān)測或其他信息檢測。另外，科學(xué)本身也有一定藝術(shù)性，而該設(shè)備的藝術(shù)美感十分難得。

只有筆芯大小的分散型微型飛行器，卻擁有監(jiān)測空氣污染、空氣傳播疾病和環(huán)境污染等諸多本領(lǐng)，最重要的是它會飛。

之前的大多數(shù)電子飛行器的驅(qū)動方式都是主動型，這類微型飛行器由于機械部件和設(shè)計較為復(fù)雜，在小型化方面一定的局限性。尤其是要在小型化的同時提供飛行所消耗的巨大能量是十分困難的。

而該設(shè)備并不需要發(fā)動機驅(qū)動，而是依靠自然風(fēng)的吹動來進行飛行。

就像楓樹的種子一樣在空中飛翔，當(dāng)它從空中降到地面上時，它也會像直升機一樣，不斷自旋之后即可平緩落地。

正是通過對楓樹種子等依靠風(fēng)力去接種等植物種子的研究，該團隊從空氣動力學(xué)方面，對微型飛行器進行了優(yōu)化，從而確保它從高空降落時，能以受控的低速降落。

控制降落速度不僅能保證飛行更穩(wěn)定，還能讓它在空中飛行的范圍可以更廣闊，借此也能增加它和空氣相互作用的時間，從而讓它更好地監(jiān)測空氣污染和空氣傳播疾病。

微型飛行器身上配有各種超小型化技術(shù)，包括傳感器、電源、無線通信天線和存儲數(shù)據(jù)的嵌入式存儲器等。

美國四院院士、美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授約翰·A·羅杰斯擔(dān)任論文共同通訊作者，他也是該研究的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一，其告訴媒體該研究的主要目標(biāo)是讓小型電子系統(tǒng)具備有翼飛行的功能，從而讓它分散到更遠的地方，去執(zhí)行環(huán)境感知、污染監(jiān)測、人口監(jiān)測或疾病跟蹤等功能。

而此次研究之所以能成功，是因為受到了生物界的啟發(fā)。在數(shù)十億年的自然界歷史中，大自然用非常復(fù)雜的空氣動力學(xué)設(shè)計了種子。該研究也借鑒了這些設(shè)計理念，并應(yīng)用于微型飛行器的電子電路中。

楓葉的螺旋槳狀種子，在空中旋轉(zhuǎn)之后，就會緩慢平穩(wěn)地降落地面，這正是大自然提高植物存活率的一個例子。正因此，原本無法自行移動的楓葉種子能傳播得更廣，楓樹后代也能繁殖到更遠的地方。

也正因此，自然界中許多種子才展現(xiàn)出復(fù)雜而巧妙的空氣動力學(xué)特性。而在本次微型飛行器的設(shè)計過程中，該團隊研究了多類植物種子的空氣動力學(xué)特征，并從星果藤這一植物中找到了最直接的靈感。

星果藤是一種有著星形種子的開花藤蔓植物，它的種子擁有葉片形狀的翅膀，可以在風(fēng)中慢慢地隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)。

在設(shè)備的開發(fā)設(shè)計過程中，一開始該團隊設(shè)計并制造了多款微型飛行器，其中包括一款與星果藤種子十分相似的帶有三個翅膀的飛行器。

為了確定最理想的結(jié)構(gòu)，他們進行了全尺寸計算的模型設(shè)計，通過模擬周圍空氣流動，最終從微型飛行器身上模擬出三星果藤種子的緩慢可控的旋轉(zhuǎn)。

接下來要進行制備，研究人員使用先進成像和定量流動模式的方法，在實驗室中建造并測試了微型飛行器的結(jié)構(gòu)。

在張一慧教授、美國西北大學(xué)黃永剛院士領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計出的飛行器結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，羅杰斯院士帶領(lǐng)的團隊隨后進一步開展了與伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校機械工程副教授萊昂納多·查莫羅之間的合作，在合作中，他們使用先進成像和定量流動模式的方法，在實驗室中建造并測試了結(jié)構(gòu)。

采用芯片式設(shè)計

為了制造這些設(shè)備，該團隊從另一個熟悉的新奇事物中獲得了靈感，很多兒童都曾讀過的彈出式立體書籍。

制備中，研究人員首先在在平板中造出飛行結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體。然后，再將這些前體粘在已被稍微拉伸的橡膠基板上。

當(dāng)原本被拉伸的基底出現(xiàn)松弛時，經(jīng)過事先控的屈曲過程就會發(fā)生，這時機翼便會“彈出”，被精確定義的三維形狀即可形成。

這是一種從2D平面結(jié)構(gòu)中制造3D結(jié)構(gòu)的巧妙策略，此前曾在2015年登上《科學(xué)》雜志的封面。由于現(xiàn)有半導(dǎo)體設(shè)備都是基于平面結(jié)構(gòu)制造的，因此他們可利用消費電子行業(yè)正使用的先進材料和制造方法，來對設(shè)備進行芯片式的設(shè)計。然后，再根據(jù)類似于彈出式書籍的原理，就能把它們轉(zhuǎn)換成3D飛行器的形狀。

此外，他們還將電子元件的重心，放在設(shè)備的較低位置，從而避免因失去控制而墜落到地面。

經(jīng)過以上步驟，終于誕生出可以各種大小和形狀的結(jié)構(gòu)，有些結(jié)構(gòu)的性質(zhì)甚至能和自然種子媲美。

羅杰斯院士認(rèn)為從某種程度上講，該團隊?wèi)?zhàn)勝了自然。至少從狹義上，他們設(shè)計并制造出的微型飛行器，比植物或樹木種子具備更加穩(wěn)定的軌跡、以及更慢的下落速度，體積上也比很多自然界的種子要小，甚至沒有沙粒大。而設(shè)備小型化正是電子行業(yè)的主導(dǎo)發(fā)展軌跡。

可用于環(huán)境監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測等

有了微型飛行器，再加上傳感器、存儲器、可收集環(huán)境能量的電源、和一根數(shù)據(jù)線，即可組裝成空氣微粒檢測設(shè)備。

其實，就是讓它和與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，投撒到山區(qū)和田野中，就能監(jiān)測環(huán)境污染。

而給它搭載上pH傳感器，還可用于監(jiān)測水質(zhì)。另外，搭載上光電探測器，則可用于測量不同波長的陽光照射。

當(dāng)前，很多監(jiān)測技術(shù)在實踐中，都必須使用大型設(shè)備。該團隊設(shè)想，如果從飛機或建筑上投下并廣泛分散這類設(shè)備，就能讓它執(zhí)化學(xué)品泄漏后的環(huán)境修復(fù)監(jiān)測，還可在不同高度的空氣中跟蹤污染水平。

鑒于微型飛行器“超迷你”體積，那么就能高密度、大范圍地分布，從而實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)一般的檢測。

與此同時，該團隊也考慮到了可能存在的電子垃圾問題，在廢棄設(shè)備回收方面，他們已開發(fā)出一種瞬態(tài)電子器件，它能在 “壽終正寢” 后，以無害的方式在水中溶解。

目前該器件以應(yīng)用于生物可吸收起搏器，效果也得到了驗證。目前，他們正使用同樣的材料——可降解聚合物、可堆肥導(dǎo)體和可溶解集成電路芯片來制造微型飛行器。

未來，一旦它不小心落入水中，就能自動溶解，實現(xiàn)真正的“事了拂衣去”。

張一慧表示，清華團隊在微型電子飛行器工作中的貢獻主要有三方面，其一是受風(fēng)傳種子啟發(fā)的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計；其二是飛行器結(jié)構(gòu)三維組裝的逆向設(shè)計與力學(xué)分析；其三是飛行器結(jié)構(gòu)自旋下落的流場模擬和穩(wěn)定性分析。