神奇的带翅膀的微芯片是人类建造的最小的飞行物体

　　这种空中微芯片最终可以实现追踪污染和疾病的功能。
　　上图：装有线圈天线和紫外线传感器的微型飞行片。
　　就像会飞的植物种子慢慢地落向地面一样，这些新发明的＂微型飞行片＂借助风力实现了无动力控制飞行。
　　来自伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的工程师们大量借鉴大自然的经验，开发出了能够被动飞行的微芯片。这种被称为＂microfliers（微型飞行片）＂的微型装置在下落时乘着微风，利用自旋转的力量以缓慢而可控的方式下落。
　　这一过程类似于枫树种子从枫树上落下，这并非巧合。这个由工程师约翰·罗杰斯（John Rogers）领导的团队研究了各种各样的植物和树木，以了解大自然在数百万年的进化之后，是如何偶然发现了一些相当出色的发放种子的解决方案的。风吹种子倾向于使用四种不同策略中的一种：直升机式、飞旋式（或旋转器）、滑翔机式和降落伞式。
　　上图：一个自由落体的微飞片(右)与一个自由落体的三星果属植物种子(左)比较。
　　进化，可能是许多种类的种子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方式缓慢下降，因此它们可以在尽可能长的时间内与风的模式相互作用。这一功能通过纯粹的被动空中机构，最大限度地提高了横向分布。
　　埃文斯顿西北大学的这个项目的目的，就是寻找一种有效的方法来分发功能性的微型化电子设备，并可以实现批量分发。比如，从飞机或高层建筑上投放成千上万的微型飞行器，可以以独特的方式来监测环境，检测污染、有毒物质泄漏和疾病传播。经过改进的＂microfliers（微型飞行片）＂可以形成由数百或数千个节点组成的强大互联网络，或与外部设备进行无线通信，充当物联网中的传感器。它的潜在应用实际上是无限的。
　　经过测试，研究人员发现直升机式种子和飞旋式种子效果最好，尤其是来自三星果属植物的种子。这种开花藤蔓上带翼叶片的种子会随风旋转，慢慢下降。该团队建造了一堆不同的类似于三星果植物种子的微型飞行器，其中一种有三个翅膀，而不是通常的五个翅膀。微型飞行器的大小也各不相同，有大小像鹅卵石的版本，甚至有单个沙粒大小的版本（最小的版本有500微米宽）。
　　上图：蚂蚁和微型飞行片的大小比较。
　　计算机模拟显示了空气如何在各种设备周围流动，风洞展示了空气动力学如何受到设计调整的影响，例如直径、结构和机翼类型的变化。 测试表明，旋转运动是关键，因为它可以稳定和减缓物体的下降速度，使其远离下降位置。 缓慢下降也是有益的，因为它允许设备在空中延长其监测任务。 令人印象深刻的是，该团队表示他们提出的设计可以与大自然所提供的最好的东西相媲美，并且可能还会有所改进。
　　工程师约翰·罗杰斯表示：＂我们认为我们战胜了自然。至少从狭义上讲，我们已经能够建造出比你在植物或树木上看到的同等种子更稳定、末端速度更慢的坠落结构。 ＂
　　更重要的是，它们的一些微型飞行器比自然界中发现的小得多。
　　上图：安装在玻璃上的三种不同尺寸的微飞片。
　　罗杰斯补充道：＂这很重要，因为设备小型化代表了电子行业的主导发展轨迹，传感器、无线电、电池和其他组件可以以更小的尺寸制造。＂
　　成功控制降落的另一个关键因素是重量。如果没有一定的体积， 微型飞行片就会被吹得失控，如果没有较低的重心，它就不能旋转。 好消息是，这些设备以内置组件的形式存在重量，例如微芯片、太阳能电池（或电池）和天线。总的来说，这些附加组件将为微型飞行片提供大脑、电源和无线通信。
　　这项研究提供了对这些工程系统的基础性理解，并提出了一些需要在未来的研究中解决的问题。具体地说，未来的工作应该关注＂风是如何影响飞行片的空气动力学的＂，因为研究人员在考虑各种环境因素的同时，仍然需要更详细地研究风。更重要的是，研究结果集中在直升机式和飞旋式的散布方法上，这使得降落伞和滑翔机类型的飞行器的设计留给了未来的研究，并提出了空间范围、有效载荷等之间可能的权衡问题。
　　在测试中，该团队展示了一个2英寸（5 厘米）的微型飞行片，能够在它缓慢下降时监测空气中的颗粒物。 该团队设想未来的版本能够使用 pH 传感器监测水质，并使用光电探测器监测阳光。 实际应用还包括跟踪化学品或石油泄漏、不同高度的空气污染，甚至人类活动。
　　事实上，需要理清这项技术的伦理和法律后果，以避免潜在的滥用，例如秘密跟踪人员。该团队还认识到，微型飞行片本身可能最终成为一种垃圾或污染物。 为此，他们正在研究可溶于水或随时间自然降解的版本。 他们还希望使微型飞行器能够主动飞行，这将更具挑战性。
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