受種子啟發(fā)的飛行微裝置問(wèn)世 未來(lái)可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)

英國(guó)《自然》雜志近日發(fā)表一項(xiàng)工程學(xué)突破，包括美國(guó)西北大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種飛行裝置，其受到風(fēng)力傳播的植物種子啟發(fā)，未來(lái)可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)或通信。這種飛行裝置可以攜帶有源電子載荷，從而可在一定范圍建立無(wú)電池?zé)o線設(shè)備。

植物種子有各種形狀和大小，其中一些可利用風(fēng)力傳播，散播遺傳物質(zhì)擴(kuò)大種群繁殖。這些種子形狀可分為四類(lèi)：降落傘形，如蒲公英;滑翔機(jī)形，如翅葫蘆;直升機(jī)形，如梣葉槭和大葉楓;撲翼或飛旋形，如毛泡桐或臭椿。

受風(fēng)力傳播種子的啟發(fā)，包括美國(guó)西北大學(xué)研究人員約翰·羅杰斯在內(nèi)的科學(xué)家們，此次設(shè)計(jì)了一系列飛行器，大小從微型(小于1毫米)到大型(大于1毫米)。他們使用模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)(如飛行器直徑、結(jié)構(gòu)和翼型)的空氣動(dòng)力學(xué)影響。在直升機(jī)型和飛旋形種子中，旋轉(zhuǎn)行為加強(qiáng)了這些裝置的穩(wěn)定性和飛行行為。這些設(shè)計(jì)可以集成簡(jiǎn)單電子器件，其中一例包含有一個(gè)檢測(cè)空氣顆粒物的電路。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這類(lèi)在空氣中具有良好滯空性的、以風(fēng)為動(dòng)力的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)微飛行器，可以成功地在飛行器上集成電子電路功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)空氣污染物監(jiān)測(cè)等功能。該類(lèi)微飛行器在空氣中還具有非常緩慢的下落速度——約0.28m/s，只有雪花平均下落速度的1/8左右，而且微飛行器的旋轉(zhuǎn)下落模式為其提供了較好的飛行穩(wěn)定性。除此之外，它還可以像植物種子一樣廣泛播撒，有望成為物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建具有空間深度與時(shí)間廣度的低成本實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，助力未來(lái)疫情監(jiān)測(cè)與病毒防控。

同時(shí)發(fā)表的新聞與觀點(diǎn)文章中，美國(guó)康奈爾大學(xué)科學(xué)家E·法里爾·赫爾博靈寫(xiě)道：“這些裝置可以構(gòu)成動(dòng)態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，或基于互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備網(wǎng)絡(luò)即物聯(lián)網(wǎng)的各種技術(shù)”。赫爾博靈補(bǔ)充說(shuō)，需要做進(jìn)一步工作，以理解飛行器在風(fēng)中會(huì)有怎樣的行為，以及其他設(shè)計(jì)(降落傘形和滑翔機(jī)形飛行器)表現(xiàn)如何，但她認(rèn)為目前的成果為增進(jìn)飛行器能力鋪平了道路。(記者張夢(mèng)然)

總編輯圈點(diǎn)

某些植物種子迎風(fēng)而起、隨風(fēng)而落，簡(jiǎn)單的模式其實(shí)歷經(jīng)千萬(wàn)年的自然選擇演化——能在無(wú)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的情況下“與風(fēng)同行”幾公里甚至更遠(yuǎn)的距離，其中包含著特殊的幾何結(jié)構(gòu)與精妙的力學(xué)設(shè)計(jì)。借由這種原理，工程師們獲得了微飛行器滯空能力提升的靈感，即利用三維結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定性。這種精確的力學(xué)分析，能讓微電子器件在飛行和下落中都不會(huì)損壞，保證了其未來(lái)集成電子系統(tǒng)在空中工作的能力。

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