仿生風傳種子三維微電子飛行器

宋吉舟

浙江大學(xué)工程力學(xué)系, 杭州 310027

浙江大學(xué)浙江省軟體機器人與智能器件研究重點實驗室, 杭州 310027

浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室, 杭州 310027

微飛行器是一種像小型鳥類或昆蟲一樣在低雷諾數(shù)下工作的飛行器, 具有體積小、隱蔽性好等特點, 是未來飛行器的重要發(fā)展方向之一. 傳統(tǒng)微飛行器飛行通?；谥鲃域?qū)動的方式, 即撲翼、旋翼、噴氣等. 這類主動驅(qū)動方式可控性強, 但由于微飛行器體積限制, 其所攜帶的能源受限, 導(dǎo)致飛行時間較短、巡航范圍較小(Wood 2008). 此外, 該類器件小型化集成難度極大, 在一定程度上限制了該類器件的廣泛應(yīng)用. 近日, 美國西北大學(xué)John A. Rogers、黃永剛課題組、清華大學(xué)張一慧課題組和伊利諾伊大學(xué)香檳分校Leonardo P. Chamorro 課題組合作, 以風傳植物種子為靈感, 設(shè)計了一種風力被動驅(qū)動的“種子”飛行器. 植物種子歷經(jīng)自然選擇優(yōu)化, 其三維結(jié)構(gòu)可充分利用空氣作用力, 實現(xiàn)緩慢滯空下落, 從而隨風自由飛行幾十、甚至幾百公里(Cummins et al. 2018, Lentink et al. 2009, Nathan et al. 2002). 研究者通過模仿這類風傳種子, 研發(fā)了一類以風為被動驅(qū)動力的微飛行器(圖1(a)), 極大地減小了飛行器飛行所需功耗, 實現(xiàn)了長時滯空飛行(Kim et al. 2021). 論文以“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”為題于2021 年9 月28 日發(fā)表在《Nature》雜志上 (Kim et al. 2021) .

這類微飛行器采用力學(xué)屈曲組裝成型的三維薄膜結(jié)構(gòu)(圖1(b)), 即在預(yù)拉伸的彈性基底上有選擇地粘接二維薄膜預(yù)構(gòu)型, 而后通過釋放彈性基底的預(yù)應(yīng)變實現(xiàn)二維薄膜結(jié)構(gòu)的壓縮屈曲,進而形成三維構(gòu)型(Xu et al. 2015). 研究者采用形狀記憶聚合物作為二維薄膜的材料, 進而通過控制溫度實現(xiàn)三維構(gòu)型脫離基底后依然保持其三維形貌. 薄膜結(jié)構(gòu)的重量極輕, 且三維構(gòu)型在下落時可保證其迎風面盡可能垂直于薄膜表面, 因此可以最大化下落風阻, 實現(xiàn)較小的終端速度(圖1(c)). 終端速度即物體在空氣中達到勻速下落狀態(tài)下的速度. 值得一提的是, 這種力學(xué)屈曲組裝三維成型方法與傳統(tǒng)二維電子制造工藝完美兼容, 這為在三維結(jié)構(gòu)上集成電子電路器件埋下了伏筆. 此外, 采用這種成型方案可以實現(xiàn)多尺度、大規(guī)模三維結(jié)構(gòu)的制造, 這為將來微飛行器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)(Zhang et al. 2017).

該工作著重介紹了這種被動驅(qū)動微飛行器的下落機理, 將復(fù)雜的三維構(gòu)型簡化為離散的葉片, 從而構(gòu)建了微飛行器空氣耦合動力理論模型, 并通過數(shù)值仿真與下落實驗進行驗證. 該類被動驅(qū)動飛行器的尺度效應(yīng)非常明顯(圖1(d)): 在小尺度下 (如直徑小于1 mm, 終端速度約0.3 m/s) , 微飛行器工作雷諾數(shù)較低 (小于4) , 周圍流場接近斯托克斯黏性流體, 其終端速度依賴于空氣的動黏度且與微飛行器重量成正比; 在大尺度下 (如直徑大于40 mm, 終端速度約1.2 m/s) , 微飛行器工作雷諾數(shù)較高 (大于3000) , 其終端速度依賴于空氣密度, 且與微飛行器重量的平方根成正比. 這種尺度變化所帶來的性能變化會給這類微飛行器帶來全新的應(yīng)用前景, 例如,小尺度微飛行器在極高海拔下依然具有較小的終端速度(圖1(e)), 因此可作為微型“衛(wèi)星”長時間懸浮在高空大氣, 實現(xiàn)低成本高空探測、信息傳輸?shù)裙δ?

圖 1 (a)風傳植物種子與“種子”飛行器;(b)力學(xué)屈曲組裝三維微飛行器結(jié)構(gòu);(c)薄膜結(jié)構(gòu)飛行器下落示意;(d)飛行器對照經(jīng)典圓盤結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系;(e)不同尺度飛行器終端速度與海拔關(guān)系;(f)羽毛及其微結(jié)構(gòu),局部放大圖展示纖毛結(jié)構(gòu);(g)多孔結(jié)構(gòu)微飛行器;(h)孔隙率對終端速度影響;(i)集成電子電路的功能型飛行器;(j)空氣污染監(jiān)測功能示例

終端速度是該類飛行器的重要參數(shù), 終端速度越小則其滯空時間越長. 通過數(shù)值模擬與理論計算, 探討了通過優(yōu)化其三維構(gòu)型, 進一步減小飛行器終端速度的可能性. 對于大尺度飛行器而言 (直徑大于4 cm) , 其三維結(jié)構(gòu)對終端速度影響顯著, 即可通過優(yōu)化葉片傾角、改變?nèi)~片形狀(如彎曲葉片) 等方式優(yōu)化其終端速度. 然而, 這種方式對小尺度飛行器 (直徑小于1 mm) 而言效果甚微, 因為小雷諾數(shù)下邊界層較厚, 外界流場不能捕捉到三維結(jié)構(gòu)改變所帶來的影響. 對于小尺度飛行器, 研究者以羽毛為靈感, 巧妙地采用了增加孔隙的方式在不影響阻力系數(shù)的前提下降低飛行器自身重量, 從而優(yōu)化終端速度. 羽毛并非一片整體, 而是由許多細小的纖維組成的(圖1(f)),這種結(jié)構(gòu)可以極大減小羽毛的自身重量, 同時不影響其氣動性能. 這種孔隙率的結(jié)構(gòu)(圖1(g))可以進一步降低微飛行器的終端速度約25%, 但這一方案對大尺度飛行器無效, 原因是在大雷諾數(shù)下邊界層尺度小于孔隙大小, 其氣動性能也會相應(yīng)降低(圖1(h)). 這些優(yōu)化方案為將來微飛行器的設(shè)計提供了指導(dǎo)思路. 此外, 高精度的流場成像具象了垂直風洞實驗中被動驅(qū)動飛行器的流場, 進一步驗證了數(shù)值仿真與理論模型的結(jié)果.

如前所述, 該類飛行器的力學(xué)屈曲組裝方案使得集成功能電子電路變?yōu)榭赡?圖1(i)). 研究者通過集成不同的材料與功能性電路, 針對不同應(yīng)用場景實現(xiàn)了諸如空氣PH 值檢測、大氣污染物探測等功能(圖1(j)). 該類飛行器也可作為未來物聯(lián)網(wǎng)的“種子”節(jié)點, 像風傳種子一樣在城市、大氣等復(fù)雜、廣闊的空間中廣泛播撒, 實現(xiàn)諸如傳染病病毒監(jiān)測、任務(wù)探測等功能. 未來,一方面可通過結(jié)合相關(guān)的大規(guī)模轉(zhuǎn)印、集成與制造技術(shù), 探索實現(xiàn)該類飛行器的大規(guī)模制造(Luo et al. 2019, Wang et al. 2020), 另一方面, 通過引入葉片的智能控制, 可以根據(jù)流場和風速, 調(diào)整飛行器姿態(tài), 進一步提高其飛行穩(wěn)定性.