Трехмерный электронный летающий микрочип

Инженеры добавили в электронные микросхемы новую возможность:полет. Новый летающий микрочип (микрофлаер) размером с песчинку не имеет мотора или двигателя. Вместо этого он ловит ветер на ветру — так же, как семя пропеллера клена — и вращается, как вертолет, по воздуху к земле. Микрофлаеры также могут быть оснащены сверхминиатюрными технологиями, включая датчики, источники питания, антенны для беспроводной связи и встроенную память для хранения данных.

Изучая кленовые деревья и другие виды семян, разносимых ветром, инженеры оптимизировали аэродинамику микрофлаера, чтобы при падении с большой высоты он падал с малой скоростью контролируемым образом. Такое поведение стабилизирует его полет, обеспечивает распространение на обширной территории и увеличивает время взаимодействия с воздухом, что делает его идеальным для мониторинга загрязнения воздуха и болезней, передающихся воздушно-капельным путем.

Чтобы спроектировать микрофлаеры, команда изучила аэродинамику семян ряда растений, черпая самое непосредственное вдохновение из растения тристеллатея, цветущей лианы с семенами в форме звезды. Семена Tristellateia имеют лопастные крылья, которые ловят ветер и падают с медленным вращением.

Команда спроектировала и построила множество различных типов микрофлаеров, в том числе один с тремя крыльями, оптимизированными для таких же форм и углов, как крылья на семени тристеллатии. Чтобы определить наиболее идеальную структуру, было проведено полномасштабное компьютерное моделирование того, как воздух обтекает устройство, чтобы имитировать медленное контролируемое вращение семени тристеллатеи.

На основе этого моделирования команда затем построила и протестировала конструкции в лаборатории, используя передовые методы визуализации и количественной оценки закономерностей потока. Полученные структуры могут быть самых разных размеров и форм.

Для изготовления устройств команда черпала вдохновение в другой знакомой новинке:детской книжке-раскладушке. Сначала команда изготовила прототипы летающих конструкций плоской геометрической формы. Затем они прикрепили эти прекурсоры к слегка растянутой резиновой подложке. Когда растянутая подложка расслабляется, происходит контролируемый процесс коробления, в результате которого крылья «всплывают» и принимают точно определенные трехмерные формы.

Микрофлаеры состоят из двух частей:электронных функциональных компонентов миллиметрового размера и их крыльев. Когда микрофлаер падает в воздухе, его крылья взаимодействуют с воздухом, создавая медленное стабильное вращательное движение. Вес электроники распределен низко по центру микрофлаера, чтобы он не потерял контроль и не упал на землю.

В продемонстрированных примерах команда включила датчики, источник питания, который может собирать энергию окружающей среды, память и антенну, которая может передавать данные по беспроводной связи на смартфон, планшет или компьютер. Команда оснастила одно устройство всеми этими элементами для обнаружения твердых частиц в воздухе. В другом примере они включили датчики pH, которые можно было использовать для контроля качества воды, и фотодетекторы для измерения воздействия солнца на разных длинах волн.

Большое количество устройств может быть сброшено с самолета или здания и широко рассредоточено для наблюдения за усилиями по восстановлению окружающей среды после разлива химикатов или для отслеживания уровней загрязнения воздуха на разных высотах.

В физически переходных электронных системах используются разлагаемые полимеры, компостируемые проводники и растворимые микросхемы интегральных схем, которые естественным образом превращаются в безвредные для окружающей среды конечные продукты при воздействии воды.