解讀-三維電子微型飛行器

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【引言】??

植物通過各種各樣的被動方式傳播它們的種子，每一種方式都是自然選擇持續過程的結果。植物學家根據它們的傳播載體對這些方法進行分類，主要有重力、機械推進、風、水和動物。其中，風是最強大、應用最廣泛的一種。種子的3D形狀經過優化，以利用這種環境下的空氣流動，可以在可控的自由落體中支持穩定的動力學運輸。盡管蒲公英種子與環境空氣之間存在一定的相互作用，但其他種類的風分散種子(如一些木本藤本植物)介導飛行的流動物理還不清楚，也沒有被用于微系統技術的研究。正如植物利用種子和被動機制擴散遺傳物質來傳播物種一樣，利用類似的方法將微型電子傳感器、無線通信節點、能量收集組件和/或各種物聯網技術作為監視器來跟蹤環境過程，作為指導修復工作的輔助手段或作為支持分布式監測的組件，將會非常有吸引力。本文介紹了實現這些理論的基礎工程科學。

大型、分布式的小型無線電子裝置集合可能構成未來環境監測、人口監測、疾病管理和其他需要復蓋廣闊空間尺度的應用系統的基礎。風傳播種子的現象可以解釋為一個由重力和固定生命形式控制的物理問題的進化解決方案，在被動自由落體過程中優化動態穩定性和/或運輸距離。

今日，清華大學張一慧課題組與美國西北大學John A. Rogers課題組、黃永剛課題組、美國伊利諾伊大學香檳分校Leonardo P. Chamorro課題組合作，受風傳播種子的啟發，設計了一種屈曲力學組裝的新型三維微電子飛行器，以實現在空氣中被動、長時間、遠距離飛行。為在機械引導下組裝三維(3D)微觀結構，研究者采用形狀記憶聚合物作為薄膜基材，使得成型的三維結構在從基底剝離后得以保持其構型，從而制備了三維微飛行器。這種制備工藝簡單、高效，可以同時、大批量制造多尺度三維結構。該三維組裝方案與傳統二維電子電路制備工藝完美兼容，因此極易在三維結構上集成柔性電子器件。本工作展示了以這種方式合成的一系列三維宏觀、中觀和微觀材料。對這種高性能結構的空氣動力學進行分析、計算和實驗研究，成功設計了一類在空氣中具有良好滯空性的以風為動力的被動驅動微飛行器，并成功地在飛行器上集成了電子電路功能模塊，可實現空氣污染物監測等功能。此外，該三維飛行器具有植物種子一樣廣泛播撒特性，使其有望成為未來飛行器“物聯網”的節點，構建具有超高空間深度與時間廣度的低成本實時監測系統，有助于未來的疫情監測和病毒防控。相關研究成果以“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”為題發表在Nature上，并被選為同期的Nature封面。

圖1.?受風散種子啟發的3D微飛行器

圖2.?具有代表性的三維微、中、宏觀飛行器相關聯的空氣動力學理論分析和數值模擬

圖3.?代表性三維介面流動特性的實驗測量

圖4. 3D比色中影儀、 電子中影儀、 物聯網宏影儀?

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

本文由溫華供稿。?