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三维电子飞行微芯片

工程师为电子微芯片增加了一项新功能:飞行。大约一粒沙子大小的新型飞行微芯片(microflier)没有电机或引擎。相反,它会随风飞行——就像枫树的螺旋桨种子——并像直升机一样在空中旋转到地面。微型飞行器还可以配备超小型化技术,包括传感器、电源、用于无线通信的天线和用于存储数据的嵌入式存储器。

通过研究枫树和其他类型的风散种子,工程师优化了微型飞行器的空气动力学,以确保在高海拔下降时,它以可控的方式以慢速下降。这种行为可以稳定其飞行,确保在广阔区域内扩散,并增加其与空气相互作用的时间,使其成为监测空气污染和空气传播疾病的理想选择。

为了设计微型飞行器,该团队研究了许多植物种子的空气动力学,从 tristellateia 植物(一种带有星形种子的开花藤本)中汲取了最直接的灵感。 Tristellateia 种子有带刃的翅膀,可以捕捉风以缓慢旋转的方式落下。

该团队设计并制造了许多不同类型的微型飞行器,包括一种具有三个翅膀的微型飞行器,优化后的形状和角度与三星种子上的翅膀相似。为了确定最理想的结构,我们对空气如何在设备周围流动进行了全面的计算建模,以模仿三星种子缓慢、受控的旋转。

基于此建模,该团队随后在实验室中构建和测试结构,使用先进的方法对流动模式进行成像和量化。由此产生的结构可以形成各种尺寸和形状。

为了制造这些设备,该团队从另一个熟悉的新奇事物中汲取灵感:一本儿童立体书。该团队首先制造了平面几何形状的飞行结构的前体。然后,他们将这些前体粘合到略微拉伸的橡胶基材上。当拉伸的基材松弛时,会发生受控的屈曲过程,导致机翼“弹出”成精确定义的三维形状。

微型飞行器由两部分组成:毫米大小的电子功能组件及其机翼。当微型飞行器在空中落下时,它的机翼与空气相互作用,产生缓慢、稳定的旋转运动。电子元件的重量分布在微型飞行器中心的低处,以防止它失去控制并混乱地翻滚到地面。

在演示的示例中,该团队包括传感器、可以收集环境能量的电源、内存存储以及可以将数据无线传输到智能手机、平板电脑或计算机的天线。该团队为一台设备配备了所有这些元素,以检测空气中的微粒。在另一个例子中,他们结合了可用于监测水质的 pH 传感器和用于测量不同波长的阳光照射的光电探测器。

大量设备可以从飞机或建筑物上掉落并广泛分散,以监测化学品泄漏后的环境修复工作或跟踪不同高度的空气污染水平。

物理瞬态电子系统使用可降解的聚合物、可堆肥的导体和可溶解的集成电路芯片,当它们暴露在水里时,它们会自然消失为对环境无害的最终产品。


传感器

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