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3D风力驱动微芯片:微型自主飞行传感器平台

工程师赋予电子微芯片新能力:飞行。大小如沙粒,新型飞行微芯片(微飞行器)无马达引擎,而是捕捉风力——枫树螺旋种子般——像直升机一样旋转着在空中缓缓下落。微飞行器还可集成超微型技术:传感器、电源、无线通信天线、存储数据的嵌入式存储器。

通过研究枫树等风力传播种子,工程师优化微飞行器空气动力学,确保高空投放时以缓慢速度受控下落。此行为稳定飞行、保证广域分散、增加与空气互动时间,使其成为监测空气污染与空气传播疾病的理想平台。

设计微飞行器时,团队研究多种植物种子空气动力学,最直接灵感源自三星堇(Tristellateia),一种星形种子的花藤。其种子具叶片状翅膀捕风,缓慢旋转下落。

团队设计制造多种微飞行器,包括三翅膀版,形状角度与三星堇种子翅膀相似。通过全尺度计算建模模拟设备周围气流,模仿三星堇种子缓慢受控旋转,锁定最理想结构。

基于建模,实验室构建测试结构,用先进成像与流场量化方法验证。所得结构可跨多种尺寸形状成型。

制造工艺灵感源自儿童立体书。团队先在平面几何制造飞行结构前驱体,再粘合到微拉伸橡胶基板上。基板松弛时,受控屈曲过程使翅膀“弹起”成精确三维形态。

微飞行器含两部分:毫米级电子功能组件与翅膀。下落时翅膀与空气互动产生缓慢稳定旋转。电子重量分布在中心低处,防止失控混乱坠落。

演示案例中,团队集成了传感器、可收集环境能量的电源、存储器、可无线向手机/平板/电脑传输数据的天线。一款装置集成所有元件检测空气颗粒物。另例集成pH传感器监测水质、光电探测器测不同波长阳光照射。

大量装置可从飞机或建筑投放广泛分散,监测化学泄漏后环境修复或不同高度空气污染水平。

物理瞬态电子系统使用可降解聚合物、可堆肥导体、可溶解集成电路芯片,遇水自然分解为环境友好最终产物。

传感器

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