受风传播种子启发，JohnA·Rogers院士/黄永刚院士/张一慧教授带领31家单位联手《Nature》：仿生3D微型飞行器！

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像风传播植物种子一样的仿生3D微型飞行器

植物有各种不同的被动策略来传播种子。其中，风力是最强大、适用范围最广的一种传播载体。许多植物种子的形状有助于它们通过风有效传播，常见的有蒲公英、风信子、杨柳树等。受这些种子的启发，科学家们已经构建了一系列飞行器，应用领域可从环境监测到无线通信。

受风传播种子启发，美国西北大学JohnA·Rogers院士、黄永刚院士和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Leonardo P. Chamorro教授和清华大学张一慧教授带领的国际合作团队报道了一种3D飞行器其灵感来自风散植物种子的被动直升机式风传播机制。所采用的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。当与复杂的集成电路结合时，这些设备可以形成动态传感器网络，用于环境监测、无线通信基站或各种其他基于互联网/物联网的技术。相关论文以“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”为题发表在最新一期《Nature》上，韩国崇实大学Bong Hoon Kim, 英国剑桥大学/华中科技大学Kan Li, 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。

目前，关于飞行器的研究一直聚焦在主动系统，包括四轴飞行器和受昆虫或鸟类启发的飞行器。主动系统的优势在于能够在其环境中独立移动。然而，它们的实际应用常常受到限制，由于大型飞行器（翼展约为50厘米的四轴飞行器）的尺寸和安全问题，小型飞行器（翼展约为3.5厘米）缺乏机载电子设备和电源来实现在真实环境中的自主运动。此外，由于这些研究的高度专业化和手工组装，它们不能用于集成系统的研究。

植物使用被动机制——例如通过风传播种子——来帮助传播它们的遗传信息。风散种子具有特定的几何形状，通过在自由落体过程中降低其终端速度和增加空气阻力来提高其动态稳定性和运输距离。这种几何形状大致分为四类：降落伞、滑翔机、直升机和扑翼机（也称为旋转器）。风的传播可以将种子运送数百公里。这些被动分散机制可以作为动态传感器网络的机械模型，其高空间范围和低功耗是关键特征。

图：受风散种子启发的3D微型飞行器

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。

3D微型飞行器

这些装置的整体形状、纵横比以及空气动力学表面的数量和形状有所不同。由于该工艺使用平面制造和光刻技术，因此可以在单个组装过程中制作数百个使用不同参数设计的微型飞行器。这对于部分物联网相关设备的实际实现至关重要。

同时，作者们使用理论分析、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。

3D微型飞行器下落更加平稳

尽管这项工作主要侧重于了解3D微型飞行器的空气动力学机制，但作者也证明了生产过程支持半导体器件的集成。作者构建了包含简单半导体器件（晶体管和二极管）的飞行器，并发现这些器件的性能与使用传统技术制造的器件一样。未来的研究可以就复杂的集成电路直接集成到微型飞行器展开，以创建轻巧且可移动的微型传感设备。目前，作者使用了一个宏观飞行器（直径为5厘米），其中包含一个简单的电路来检测空气中的粒子，实现了一种用于大气测量的无电池无线设备。

该研究指出复杂的仿生3D结构可以设计和制造成几何形状，在自由落体引起的尾流中产生大的动量缺陷，从而促进高阻力和低终端速度；3D设计会引起旋转运动，从而消除与诸如飘动和翻滚等混乱坠落行为相关的不稳定性；相关的物理学定律适用于尺寸在毫米范围内的3D结构，甚至适用于接近或处于斯托克斯范围内的情况；将复杂的3D配置简化为离散倾斜叶片的分析方法可以捕获基本物理，包括空气动力学对不同Re下的几何和环境参数的依赖性。尽管在本研究中没有明确研究，但随着微型飞行器的大小和质量的减小，风的影响仍然需要详细研究。

该工作还为集成较为复杂的集成电路以提高飞行器的能力奠定了工作基础。自1990年代以来，科学家们一直在开发毫米级无线传感系统。该研究报道的技术可以为未来的物联网技术提供更好的发展空间。

全文链接：

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

来源：高分子科学前沿

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