У нового летающего микрочипа (или «микропрофиля») размером с песчинку нет двигателя или двигателя. Вместо этого он ловит ветер – так же, как семя пропеллера кленового дерева – и вращается, как вертолет, по воздуху к земле.
Изучая кленовые деревья и другие типы семян, рассеиваемых ветром, инженеры оптимизировали аэродинамику микрофлоры, чтобы гарантировать, что при падении на большой высоте он падает с медленной скоростью контролируемым образом. Такое поведение стабилизирует его полет, обеспечивает рассредоточение по обширной территории и увеличивает время взаимодействия с воздухом, что делает его идеальным для мониторинга загрязнения воздуха и заболеваний, передающихся по воздуху.
Как самые маленькие из когда-либо созданных человеком летающих конструкций, эти микрорельефы также могут быть оснащены сверхминиатюрными технологиями, включая датчики, источники питания, антенны для беспроводной связи и встроенную память для хранения данных.
Исследование размещено на обложке сентябрьского. 23 номер журнала Nature.
«Наша цель состояла в том, чтобы добавить крылатый полет к малым электронным системам, с идеей, что эти возможности позволят нам распространять высокофункциональные миниатюрные электронные устройства для измерения окружающей среды для мониторинга загрязнения, наблюдения за населением или отслеживания болезней», – сказал Джон из Northwestern. А. Роджерс, который руководил разработкой устройства. "Мы смогли сделать это, используя идеи, вдохновленные биологическим миром. В течение миллиардов лет природа создала семена с очень сложной аэродинамикой.
Мы позаимствовали эти концепции дизайна, адаптировали их и применили к платформам электронных схем."
Пионер в области биоэлектроники, Роджерс – профессор Луи Симпсона и Кимберли Кверри в области материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Школе инженерии Маккормика и Медицинской школе имени Файнберга, а также директором Института биоэлектроники Кверри Симпсона.
Юнган Хуанг, профессор машиностроения в McCormick Яна и Марсии Ахенбах, руководил теоретической работой исследования.
‘Мы думаем, что побеждаем природу’
Большинство людей наблюдали, как семя кленового листа вращается в воздухе и мягко приземляется на тротуар.
Это всего лишь один пример того, как природа разработала умные и изощренные методы увеличения выживаемости различных растений. Обеспечивая широкое распространение семян, в противном случае оседлые растения и деревья могут распространять свои виды на огромные расстояния для заселения обширных территорий.
«Эволюция, вероятно, была движущей силой сложных аэродинамических свойств, присущих многим классам семян», – сказал Роджерс. "Эти биологические структуры предназначены для медленного и контролируемого падения, поэтому они могут взаимодействовать с ветром в течение максимально длительного периода времени. Эта функция обеспечивает максимальное поперечное распределение за счет чисто пассивных воздушных механизмов."
Чтобы разработать микрошлейфы, команда Northwestern изучила аэродинамику семян ряда растений, черпая свое непосредственное вдохновение в растении tristellateia, цветущей лозе с семенами в форме звезды. Семена Tristellateia имеют лопастные крылья, которые ловят ветер и падают с медленным вращением.
Роджерс и его команда спроектировали и построили множество различных типов микрорельефов, в том числе микрорельеф с тремя крыльями, оптимизированный под такие же формы и углы, что и крылья на семени тристеллатеи.
Чтобы определить наиболее идеальную структуру, Хуанг провел полномасштабное вычислительное моделирование того, как воздух обтекает устройство, чтобы имитировать медленное контролируемое вращение семени тристеллатеи.
На основе этого моделирования группа Роджерса затем построила и протестировала структуры в лаборатории, используя передовые методы визуализации и количественной оценки закономерностей потока в сотрудничестве с Леонардо Чаморро, доцентом кафедры машиностроения в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Полученные в результате структуры могут быть сформированы самых разных размеров и форм, некоторые из которых обладают свойствами, которые могут дать природе выигрыш за свои деньги.
«Мы думаем, что побеждаем природу», – сказал Роджерс. "По крайней мере, в том узком смысле, что мы смогли построить структуры, которые падают с более стабильными траекториями и с более медленными конечными скоростями, чем аналогичные семена, которые вы могли бы увидеть из растений или деревьев.
Мы также смогли построить эти летающие конструкции для вертолетов в размерах, намного меньших, чем те, что встречаются в природе. Это важно, потому что миниатюризация устройств представляет собой доминирующую траекторию развития в электронной промышленности, где датчики, радиоприемники, батареи и другие компоненты могут быть сконструированы во все меньших размерах."
От растений до всплывающих книг
При производстве устройств команда Роджерса черпала вдохновение в еще одной знакомой новинке: детской всплывающей книге.
Его команда впервые создала предшественников летающих конструкций с плоской плоской геометрией.
Затем они прикрепили эти прекурсоры на слегка растянутую резиновую основу. Когда растянутая подложка расслабляется, происходит контролируемый процесс коробления, который заставляет крылья «всплывать» в точно определенные трехмерные формы.
«Эта стратегия построения 3D-структур из 2D-предшественников очень эффективна, потому что все существующие полупроводниковые устройства построены по планарной схеме», – сказал Роджерс. «Таким образом, мы можем использовать самые современные материалы и методы производства, используемые в индустрии бытовой электроники, для создания полностью стандартных плоских конструкций в виде микросхем. Затем мы просто преобразуем их в трехмерные летающие фигуры по принципам, аналогичным принципам всплывающей книги."
Упаковано с обещанием
Микропроцессоры состоят из двух частей: миллиметровых электронных функциональных компонентов и их крыльев.
Когда микрофлора падает в воздухе, его крылья взаимодействуют с воздухом, создавая медленное и стабильное вращательное движение. Вес электроники распределяется по центру микрофона, чтобы он не потерял контроль и не упал на землю.
В продемонстрированных примерах команда Роджерса включала датчики, источник питания, который может собирать энергию окружающей среды, память и антенну, которая может передавать данные по беспроводной сети на смартфон, планшет или компьютер.
В лаборатории группа Роджерса оснастила одно устройство всеми этими элементами для обнаружения твердых частиц в воздухе.
В другом примере они включили датчики pH, которые можно использовать для контроля качества воды, и фотодетекторы для измерения воздействия солнца на разных длинах волн.
Роджерс представляет, что большое количество устройств может быть сброшено с самолета или здания и широко рассредоточено для мониторинга усилий по восстановлению окружающей среды после разлива химикатов или для отслеживания уровней загрязнения воздуха на разных высотах.
«Большинство технологий мониторинга включают в себя массовые инструменты, предназначенные для локального сбора данных в небольшом количестве точек в интересующей пространственной области», – сказал Роджерс. «Мы предполагаем большое количество миниатюрных датчиков, которые могут быть распределены с высокой пространственной плотностью на больших площадях, чтобы сформировать беспроводную сеть."
Исчезающий акт
А как же весь электронный мусор? У Роджерса есть план на это.
В его лаборатории уже разрабатываются переходные электронные устройства, которые могут безвредно растворяться в воде после того, как они больше не нужны – как это было продемонстрировано в недавней работе над биорезорбируемыми кардиостимуляторами.Теперь его команда использует те же материалы и методы для создания микропростей, которые естественным образом разлагаются и со временем исчезают в грунтовых водах.
«Мы производим такие физически переходные электронные системы, используя разлагаемые полимеры, компостируемые проводники и растворимые интегральные микросхемы, которые естественным образом превращаются в экологически безопасные конечные продукты при контакте с водой», – сказал Роджер. "Мы понимаем, что восстановление больших коллекций микрофилей может быть трудным. Чтобы решить эту проблему, эти экологически приемлемые версии растворяются естественным образом и безвредно."
Исследование «Трехмерные электронные микрорельефы, вдохновленные рассеянными ветром семенами» было поддержано Институтом биоэлектроники Кверри Симпсона при Северо-Западном университете. Помимо Роджерса и Хуанга, соавторами-корреспондентами являются Леонардо Чаморро из Университета Иллинойса и Ихуэй Чжан из Университета Цинхуа в Китае.
Первыми авторами статьи являются Бонг Хун Ким из Университета Сунгсил в Корее, Кан Ли из Университета науки и технологий Хуачжун в Китае, а также Джин-Тэ Ким и Юнсок Пак, оба в лаборатории Роджерса в Северо-Западном университете.
Видео Microflier: https: // www.YouTube.com / watch?v = x6gB1hKjDys