今日Nature封面: 屈曲力学组装的仿风传种子三维微电子飞行器
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传统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，但此类主动驱动方式需要较大的能量供给，难以实现长时间滞空与远距离巡航。此外，主动驱动的组件结构往往较为复杂，小型化难度极大，且工作时会产生难以完全消除的噪音，这些特性使得主动驱动微飞行器难以实现小型化、隐蔽化。
风传植物种子历经千、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。风传植物种子的结构多种多样，例如蒲公英种子，它可以像降落伞一样在空气中缓慢降落；或者星果藤种子，可以像竹蜻蜓一样实现旋转下落的飞行模式；又或是大叶枫、梣叶槭、花楹、龙脑香种子等（图1）。
图1. 风传植物种子示例
近日，清华大学张一慧课题组与美国西北大学John A. Rogers课题组、黄永刚课题组、美国伊利诺伊大学香槟分校Leonardo P. Chamorro课题组合作，以风传植物种子为灵感，设计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。该成果于2021年9月23日以 “Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”为题在Nature上发表，并被选为同期的封面文章。韩国崇实大学助理教授Bong Hoon Kim、剑桥大学博士后厉侃（清华大学钱学森力学班毕业；即将入职华中科技大学）、美国西北大学博士后Jin-Tae Kim和Yoonseok Park为文章的共同第一作者。
研究者以风传植物种子作为灵感，设计了一类在空气中具有良好滞空性的以风为动力的被动驱动微飞行器，并成功地在飞行器上集成了电子电路功能模块，可实现空气污染物监测等功能。该类微飞行器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。此外，它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，助力未来疫情监测与病毒防控。
基于屈曲力学的三维组装方案与微飞行器的制备
如何低成本、高效率地构建微飞行器的三维结构是其设计的一大要点。研究者采用了由张一慧课题组与黄永刚、John Rogers课题组在2015年合作提出的屈曲力学引导的三维自组装方案（Science 2015, 347: 154-159），将二维前驱体结构有选择地粘接在预拉伸的弹性基底上，通过释放基底的预应变实现前驱体结构的压缩屈曲，完成二维到三维构型的转变。通过二维前驱体的精巧几何设计与粘接点的选择，可以实现三维构型的手性设计。基于此策略，研究者通过有限元模拟设计了一系列精巧的三维飞行器结构（图2）。这种轻薄的薄膜结构有利于飞行器降低自身重量，并且增大下落时的空气阻力，从而减缓下落速度、延长滞空时间。
图2.三维飞行器结构的力学引导屈曲组装（动图）
以此为基础，研究者采用形状记忆聚合物作作为薄膜基材，使得成型的三维结构在从基底剥离后得以保持其构型，从而最终完成三维微飞行器的制备。这种制备工艺简单、高效，可以同时、大批量制造多尺度三维结构（图3）。该三维组装方案与传统二维电子电路制备工艺完美兼容，因此极易在三维结构上集成柔性电子器件，根据应用场景需要实现多种功能（图4）。
图3.微飞行器大规模多尺度制备
图4.集成电子电路的三维柔性微飞行器
微飞行器滞空性与稳定性设计与优化
这种微飞行器的滞空能力是其可以在空气中长时间自由飞行的关键，其终端速度是衡量滞空能力的重要指标。终端速度指的是一个物体在空气中长时间自由下落时，达到匀速下落状态下的最终速度，终端速度越小则该物体的滞空性越好。物体在空气中达到匀速下落状态时，空气对物体的阻力与物体自身重力等值。而该阻力通常与下落速度、迎风面积正相关，因此尽可能的增大迎风面积是降低终端速度的关键。可以想象，将一个材料像纸张一样展开，使其纸面方向保持水平，可以降低其终端速度。然而这种二维结构在实际下落过程中，难以保持其水平状态，极易出现翻转、颤动等现象。
风传植物种子的三维结构为这一难题提供了解决方案，即通过利用三维结构保持结构的下落稳定性，可以实现结构的长时间滞空。三维结构的手性可使其在下落过程中绕自身中心轴旋转，这种旋转可进一步加强结构的稳定性（图5）。
图5.植物种子与三维微飞行器的旋落（动图）
研究者通过流体力学数值计算模拟了这一下落过程（图6），并建立了相应的流固耦合理论模型，系统地揭示了旋落过程的运动机理，并成功预测了不同结构的终端速度，与数值模拟、下落实验结果吻合良好。此外，耦合空气作用力的旋转动力稳定性模型为此类飞行器的旋转下落稳定性提供了理论基础，为此类微飞行器设计提供了指导方案。
图6.旋转下落状态的流体力学数值模拟（动图）
旋转下落微飞行器的流场可视化与分析
研究者通过粒子图像测速法（PIV）,获得了三维飞行器旋落状态下高精度的流场图，进一步深入地解析其运动特性（图7）。实验结果显示，相对二维结构而言，三维旋落飞行器会在尾端形成较大的尾流，并且在竖直方向具有更大的速度扰动。
图7. PIV成像实验与流场结果展示（动图）
微电子器件的集成与飞行器功能实现
基于深入的理论研究与精巧的结构设计，研究者进一步在优化的三维飞行器结构上集成了微电子器件。有限元模拟展示了这一复杂电子系统的组装过程（图8），并通过精确的力学分析保证了微电子器件在变形与下落过程中不会损坏。这一电子系统包含了无线传输天线、微控制芯片以及多个紫外传感器，可以在高空释放后，在广阔空间内对空气污染物进行长时间实时监测。通过集成不同的电子系统，此类器件还有望在将来实现诸如城市传染病病原体分布监测等功能。
图8.集成空气污染物监测系统的三维微飞行器（动图）
美国西北大学John A. Rogers院士、清华大学张一慧教授、美国伊利诺伊大学香槟分校Leonardo P. Chamorro副教授和美国西北大学黄永刚院士为文章的共同通讯作者。韩国崇实大学助理教授Bong Hoon Kim、剑桥大学博士后厉侃（清华大学钱学森力学班毕业；即将入职华中科技大学）、美国西北大学博士后Jin-Tae Kim和Yoonseok Park为文章的共同第一作者。该研究成果得到了国家自然科学基金委原创探索计划项目、国家自然科学基金委创新研究群体等项目的资助。
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