一个3D微处理器坐在一只普通蚂蚁旁边，以显示比例。学分:西北大学西北大学工程师给电子微芯片增加了一项新功能:飞行。大约一粒沙子的大小，新的飞行微芯片(或“microflier”)没有马达或发动机。相反，它在风中飞行——很像枫树的螺旋桨种子——并像直升机一样在空中朝着地面旋转。
通过研究枫树和其他类型的风传播种子，工程师们优化了microflier的空气动力学，以确保当它在高海拔下降时，在受控的mann er中以低速下落。这种行为稳定了它的飞行，确保了它在广阔区域的扩散，并增加了它与空气相互作用的时间，使它成为监测空气污染和空气传播疾病的理想选择。
作为有史以来最小的人造飞行结构，这些微型飞行器还可以搭载超小型化技术，包括传感器、电源、无线通信天线和存储数据的嵌入式存储器。
这项研究刊登在9月23日《自然》杂志的封面上。
“我们的目标是在小规模电子系统中增加有翼飞行，其想法是这些能力将使我们能够分发高功能、小型化的电子设备，以感知环境，进行污染监测、人口监测或疾病跟踪，”西北大学的约翰·罗杰斯说，他领导了该设备的开发。“我们能够利用生物世界启发的想法做到这一点。在数十亿年的过程中，大自然用非常复杂的空气动力学设计了种子。我们借用了这些设计概念，对它们进行了调整，并将其应用于电子电路平台。”
罗杰斯是生物电子学的先驱，是麦考米克工程学院和范伯格医学院材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯利·克雷教授，也是克雷·辛普森生物电子学研究所的主任。麦考密克大学机械工程简和玛西娅·阿申巴赫教授黄永刚领导了这项研究的理论工作。
配备了线圈天线和紫外线传感器的3D微处理器的特写镜头。学分:西北大学“我们认为我们打败了自然”
大多数人都看过枫叶旋转的螺旋桨种子在空中旋转，然后轻轻地落在人行道上。这只是自然如何进化出聪明、复杂的方法来提高各种植物的存活率的一个例子。通过确保种子广泛传播，否则定居的植物和树木可以在很远的距离上繁殖它们的物种，以在广阔的区域内繁殖。
罗杰斯说:“进化可能是许多种类种子所表现出的复杂空气动力学特性的驱动力。“这些生物结构被设计成以受控的方式缓慢下落，因此它们可以在尽可能长的时间内与风模式相互作用。这一特点通过纯粹的被动机载机构使横向分布最大化。”
为了设计微型叶片，西北大学的研究小组研究了许多植物种子的空气动力学，最直接的灵感来自于tristellateia植物，这是一种有星形种子的开花藤蔓植物。Tristellateia种子有带叶片的翅膀，可以抓住风，以缓慢旋转的方式落下。
罗杰斯和他的团队设计并制造了许多不同类型的微流控芯片，包括一个具有三个翅膀的微流控芯片，优化后的形状和角度类似于tristellateia种子上的翅膀。为了找到最理想的结构，黄领导了一个全尺寸的计算模型，模拟空气如何在装置周围流动，以模仿tristellateia种子缓慢、受控的旋转。
基于这一模型，罗杰斯的团队随后在实验室建造并测试了结构，与伊利诺伊大学香槟分校机械工程副教授莱昂纳多·查莫罗合作，使用先进的方法对流动模式进行成像和量化。
与自由落体中的一粒种子相比，这是一个3D微球(右)。学分:西北大学由此产生的结构可以形成各种各样的大小和形状，有些结构的性质可以让大自然为其赚钱。
“我们认为我们战胜了自然，”罗杰斯说。“至少从狭义上来说，我们已经能够建造比你从植物或树木中看到的同等种子以更稳定的轨迹和更慢的终端速度下落的结构。我们还能够建造比自然界中发现的尺寸小得多的直升机飞行结构。这很重要，因为设备小型化代表了电子行业的主要发展轨迹，在电子行业，传感器、无线电、电池和其他组件可以以越来越小的尺寸制造。”
从植物到弹出式书籍
为了制造这些设备，罗杰斯的团队从另一个熟悉的新奇事物中获得了灵感:一个孩子的弹出式书。
他的团队首先制造了平面几何形状的飞行结构的前身。然后，他们将这些前体粘合到稍微拉伸的橡胶基底上。当拉伸的基底松弛时，会发生受控的弯曲过程，导致机翼“弹出”成精确定义的三维形状。
“这种利用2D前驱体构建3D结构的策略非常强大，因为所有现有的半导体器件都是以平面布局构建的，”Rogers说。“因此，我们可以利用消费电子行业使用的最先进的材料和制造方法来制造完全标准的扁平芯片状设计。然后，我们只是通过类似于弹出式书籍的原理将它们转换成3D飞行形状。”
载玻片上有三种尺寸的微带。学分:充满希望的西北大学
微型飞行器由两部分组成:毫米大小的电子功能部件和它们的翅膀。当微型飞行器在空气中下落时，它的翅膀与空气相互作用，产生缓慢稳定的旋转运动。电子设备的重量分布在微框架的中央，以防止它失去控制，混乱地翻滚到地面。
在演示的例子中，罗杰斯的团队包括传感器、可以收集环境能量的电源、内存存储和可以将数据无线传输到智能手机、平板电脑或电脑的天线。
在实验室里，罗杰斯的团队为一个设备配备了所有这些元素来检测空气中的微粒。在另一个例子中，他们结合了可用于监测水质的酸碱度传感器和测量不同波长阳光照射的光电探测器。
罗杰斯设想，大量装置可以从飞机或建筑物上扔下，并广泛分散，以监测化学品泄漏后的环境补救效果，或跟踪不同高度的空气污染水平。
罗杰斯说:“大多数监测技术都涉及批量仪器，旨在跨int erest空间区域的少量位置本地收集数据。“我们设想了大量小型化传感器，它们可以在大面积上以高空间密度分布，从而形成无线网络。”
一种生物可吸收的微滤器溶解并消失。学分:西北大学消失法案
但是所有的电子垃圾呢？罗杰斯对此有一个计划。他的实验室已经开发出瞬态电子器件，当不再需要时，可以无害地溶解在水中——正如最近关于生物可吸收起搏器的工作所表明的那样。现在，他的团队正在使用相同的材料和技术来建造微流，随着时间的推移，微流会自然降解并消失在地下水中。
“我们使用可降解聚合物、可堆肥导体和可溶解集成电路芯片制造这种物理瞬态电子系统，当暴露在水中时，它们会自然消失，成为环境友好的最终产品，”罗杰说。“我们认识到回收大量微流可能很困难。为了解决这个问题，这些环境可吸收的版本自然溶解，无害。”
这项研究被命名为“受风散种子启发的三维电子微气流”除了罗杰斯和黄，合著者还包括伊利诺伊大学的莱昂纳多·查莫罗和中国清华大学的·张。这篇论文的第一批作者是朝鲜松西尔大学的金奉勋、中国华中科技大学的李侃和金镇泰和朴永祥，他们都在西北大学的罗杰斯实验室。
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