Nature封面！华人院士带领的国际团队发表微型飞行器，比蚂蚁还小-技术圈

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来源：nature、新智元

【导读】最近华人黄永刚院士带领的国际团队研发了一种三维微电子飞行器，能够像蒲公英一样随风飘动，无需任何能源即可飞行！体积比蚂蚁还小，未来可用于环境监测等作为物联网基础设施。

蒲公英、柳絮的种子历经千、万年的自然选择演化，其特殊的几何结构与精妙的力学设计可以使其在自身无主动驱动力的情况下被动地随风自由飞行几公里甚至更远的距离。

如果把飞行器设计成「种子」会发生什么？

受风传播种子的启发，美国西北大学John A.Rogers 院士、黄永刚院士和清华大学张一慧教授带领的国际合作团队报道了一种屈曲力学组装的新型三维微电子飞行器，以实现在空气中被动、长时间、远距离飞行。这篇文章以封面形式发表在了Nature 上。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y

黄永刚院士1962年11月生于中国北京，美国科学院院士、美国国家工程院院士、美国艺术与科学院院士、欧洲科学院院士、中国科学院外籍院士，美国西北大学冠名讲席教授。1984年毕业于北京大学力学系；1990年获美国哈佛大学博士学位。

黄永刚院士主要研究领域是材料和电子器件的力学行为，他和合作者共同开创了可延展无机电子器件领域，并创立了基于微观机制的应变梯度理论。

韩国崇实大学Bong Hoon Kim, 英国剑桥大学/华中科技大学厉侃, 美国西北大学Jin-Tae Kim, Yoonseok Park为论文的共同第一作者。

此外、康涅狄格大学Xueju Wang、大连理工大学Zhaoqian Xie、香港城市大学Xinge Yu、清华大学Honglie Song、武汉理工大学Feng Zhu、同济大学Ying Zhao、西交大Lin Chen等31家单位37名科研人员参与了这项工作。

这种小型无线电子设备是一类在空气中具有良好滞空性、以风为动力的被动驱动微飞行器。并且它在空气中具有非常缓慢的下落速度（约0.28 m/s），只有雪花平均下落速度的1/8左右，而且微飞行器的旋转下落模式为其提供了较好的飞行稳定性。

和传统的微飞行器通常使用扑翼、旋翼或喷气的主动驱动方式作为飞行的动力不同的是，借助风力的被动飞行不需要能量供给，可以实现长时间滞空和远距离巡航。

并且被动飞行的结构通常更简单，可以做的更轻便、微型，且工作时不会产生额外噪音，更方便飞行器的隐蔽。

研究人员已经成功地在这种被动飞行器上集成了电子电路功能模块。

由于它具有像植物种子一样广泛播撒的特性，使其有望成为未来飞行器「物联网」的节点，构建具有超高空间深度与时间广度的低成本实时监测系统。

这种飞行器的大型分布式集合可以用来进行环境监测、人口监测、疾控管理或者作为其他需要在广阔空间范围内覆盖的应用系统的基础，也能够助力未来疫情监测与病毒防控。

所采用的制作工艺可以快速并行制造大量飞行器同时可以使用标准绝缘体上硅技术集成简单的电子电路。该工作概述了在微观尺度（小于1毫米）、毫米尺度和宏观尺度（大于1毫米）上生产飞行器的工艺，其灵感来自使用直升机式风传播机制的植物种子。

在该架构中，设备的3D形状是使用平面制造工艺创建的——制造方法类似于半导体行业的制造方法。一层形状记忆聚合物在特定位置与预应变弹性体结合。当应变释放时，这些部位的弯曲导致材料折叠，形状记忆效应将飞行器固定成3D形状。

该工作通过调整设计参数，如直径、孔隙率和机翼类型等，可以在设备和周围空气之间产生有益的相互作用。这种相互作用通过诱导旋转运动降低了飞行器的终端速度，增加了空气阻力并提高了稳定性。

研究人员使用理论分析、模拟计算和实验技术定义并量化了这些飞行器的潜在空气动力学机制。探讨了尺度、孔隙率、翼数和纵横比对装置在自由落体过程中的终端速度和稳定性的影响。他们发现，由于从平滑（层流）气流到湍流的过渡，尺度对终端速度的影响最大。

与降落伞状种子具有相似效果的多孔特征降低了终端速度，多孔性对微型飞行器的影响比对宏观飞行器的影响更大。因此，空气动力学表面的曲率和角度对宏观飞行器的影响比对微型飞行器的影响更大。

Rogers 教授表示，“我们的目标是在小型电子系统中添加有翼飞行，因为这些功能将使我们能够分发功能强大的小型电子设备感知环境，以进行污染检测、人口监测或疾病跟踪。受生物世界的启发，我们成功做到了这一点。在数十亿年的过程中，大自然设计了具有非常复杂的空气动力学特性的种子，我们借鉴了这一理念，对其改造，并开发出了相应的电子电路平台。”

考虑到这些微型飞行器广泛应用会产生大量的电子垃圾，Rogers 教授的实验室还开发出了可降解电子设备，在不需要后可以无害溶解在水中，与生物可吸收起搏器的工作原理相似。毕竟要想大规模回收这种微型飞行设备十分困难。

（下一场雨飞行器就团灭了？）

看来从天而降的除了雪花和林妹妹，还是还可能是一个飞行器。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y

https://mp.weixin.qq.com/s/Y2J3OLLsqi___SJGOPyZgg

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