3D ветроплавание микрочипа: крошечная автономная летающая сенсорная платформа

Инженерам удалось добавить новую способность электронным микрочипам: полет. Размером с песчинку, новый летающий микрочип (микролёт) не имеет мотора или двигателя. Вместо этого он ловит полет на ветре — как самерека клена — и вращается как вертолет в воздухе к земле. Микролёты также могут быть набивлены ультраминиатюрными технологиями: датчиками, источниками питания, антеннами для беспроводной связи и встроенной памятью для хранения данных.

Изучая клены и другие виды ветровых семян, инженеры оптимизировали аэродинамику микролёта, чтобы при сбросе с большой высоты он падал с низкой скоростью контролируемым образом. Это поведение стабилизирует полет, обеспечивает рассеивание на широкой площади и увеличивает время взаимодействия с воздухом, делая его идеальным для мониторинга загрязнения воздуха и воздушных заболеваний.

Для проектирования микролётов команда изучала аэродинамику семян ряда растений, вдохновляясь в большей степени тристеллатеей (tristellateia) — цветущей лиане со звездчатыми семенами. Семена тристеллатеи имеют лопастообразные крылья, ловящие ветер для медленного вращательного падения.

Команда спроектировала и построила множество типов микролётов, включая трехкрылый, оптимизированный к похожим формам и углам, как крылья семени тристеллатеи. Для выявления наиболее идеальной структуры проводилось полноразмерное вычислительное моделирование того, как воздух течет вокруг устройства, имитируя медленное контролируемое вращение семени тристеллатеи.

На основе этого моделирования команда построила и протестировала структуры в лаборатории, используя передовые методы визуализации и квантования паттернов потока. Полученные структуры могут формироваться в широком диапазоне размеров и форм.

Для производства устройств команда вдохновилась еще одним знакомым новшеством: детской всплывающей книгой. Команда сначала изготовила предшественников летящих структур в плоских, плоскостных геометриях. Затем они приклеили эти предшественники на слегка растянутый резиновый субстрат. Когда растянутый субстрат расслабляется, происходит контролируемый процесс забугорования, заставляющий крылья «всплыть» в точно определенные трехмерные формы.

Микролёты состоят из двух частей: миллиметровых электронных функциональных компонентов и их крыльев. Когда микролёт падает сквозь воздух, его крылья взаимодействуют с воздухом, создавая медленное стабильное вращательное движение. Вес электроники распределен низко в центре микролёта, чтобы предотвратить потерю контроля и хаотичное кружение к земле.

В демонстрированных примерах команда включила датчики, источник питания, собирающий энергию окружающей среды, память и антенну, способную беспроводно передавать данные на смартфон, планшет или компьютер. Команда оснастила одно устройство всеми этими элементами для обнаружения частиц в воздухе. В другом примере они включили pH-датчики для мониторинга качества воды и фотодетекторы для измерения солнечного излучения на разных длинах волн.

Большое количество устройств может быть сброшено с самолета или здания и широко рассеяно для мониторинга усилий по экологической ремедиации после химического разлива или отслеживания уровней загрязнения воздуха на различных высотах.

Физически временные электронные системы используют деградируемые полимеры, компостируемые проводники и растворимые интегральные схемы, которые естественно исчезают в экологически безобидные конечные продукты при воздействии воды.