解读-三维电子微型飞行器

【引言】

植物通过各种各样的被动方式传播它们的种子，每一种方式都是自然选择持续过程的结果。植物学家根据它们的传播载体对这些方法进行分类，主要有重力、机械推进、风、水和动物。其中，风是最强大、应用最广泛的一种。种子的3D形状经过优化，以利用这种环境下的空气流动，可以在可控的自由落体中支持稳定的动力学运输。尽管蒲公英种子与环境空气之间存在一定的相互作用，但其他种类的风分散种子(如一些木本藤本植物)介导飞行的流动物理还不清楚，也没有被用于微系统技术的研究。正如植物利用种子和被动机制扩散遗传物质来传播物种一样，利用类似的方法将微型电子传感器、无线通信节点、能量收集组件和/或各种物联网技术作为监视器来跟踪环境过程，作为指导修复工作的辅助手段或作为支持分布式监测的组件，将会非常有吸引力。本文介绍了实现这些理论的基础工程科学。

大型、分布式的小型无线电子装置集合可能构成未来环境监测、人口监测、疾病管理和其他需要复盖广阔空间尺度的应用系统的基础。风传播种子的现象可以解释为一个由重力和固定生命形式控制的物理问题的进化解决方案，在被动自由落体过程中优化动态稳定性和/或运输距离。

今日，清华大学张一慧课题组与美国西北大学John A. Rogers课题组、黄永刚课题组、美国伊利诺伊大学香槟分校Leonardo P. Chamorro课题组合作，受风传播种子的启发，设计了一种屈曲力学组装的新型三维微电子飞行器，以实现在空气中被动、长时间、远距离飞行。为在机械引导下组装三维(3D)微观结构，研究者采用形状记忆聚合物作为薄膜基材，使得成型的三维结构在从基底剥离后得以保持其构型，从而制备了三维微飞行器。这种制备工艺简单、高效，可以同时、大批量制造多尺度三维结构。该三维组装方案与传统二维电子电路制备工艺完美兼容，因此极易在三维结构上集成柔性电子器件。本工作展示了以这种方式合成的一系列三维宏观、中观和微观材料。对这种高性能结构的空气动力学进行分析、计算和实验研究，成功设计了一类在空气中具有良好滞空性的以风为动力的被动驱动微飞行器，并成功地在飞行器上集成了电子电路功能模块，可实现空气污染物监测等功能。此外，该三维飞行器具有植物种子一样广泛播撒特性，使其有望成为未来飞行器“物联网”的节点，构建具有超高空间深度与时间广度的低成本实时监测系统，有助于未来的疫情监测和病毒防控。相关研究成果以“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”为题发表在Nature上，并被选为同期的Nature封面。

图1. 受风散种子启发的3D微飞行器

图2. 具有代表性的三维微、中、宏观飞行器相关联的空气动力学理论分析和数值模拟

图3. 代表性三维介面流动特性的实验测量

图4. 3D比色中影仪、 电子中影仪、 物联网宏影仪

文献链接：“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”. Nature 597, 503–510 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

本文由温华供稿。