清华大学合作研发全球最小飞行结构登上Nature封面，只有笔芯大小，灵感来自枫树种子｜专访
这有史以来最小的人造飞行结构诞生，由十几支中外团队联合攻关。
(来源：受访者)
它甚至比笔芯还小，能像种子一样在空中自旋和落下。
(来源：受访者)
微型飞行器包含两部分：电子功能部件和机翼，所有零件都是从微米到毫米级大小。
当它在空中下落时，翅膀会和空气相互作用，借此就能做出缓慢、且稳定的旋转运动。
9 月 23 日，相关论文成为当期 Nature 的封面论文，题目为《受风传种子启发的三维电子微型飞行器》（Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds）。
在艺术作品中，种子特别是会飞的种子，始终是浪漫意象的存在。如今，种子竟然启发了一篇 Nature 封面论文。
清华大学航天航空学院工程力学系长聘教授张一慧告诉 DeepTech ，此次论文之所以登上封面，是因为能把搭载微电子器件的飞行器做这么小，且能在空中停留较长时间，还能用于环境监测或其他信息检测。另外，科学本身也有一定艺术性，而该设备的艺术美感十分难得。
只有笔芯大小的分散型微型飞行器，却拥有监测空气污染、空气传播疾病和环境污染等诸多本领，最重要的是它会飞。
之前的大多数电子飞行器的驱动方式都是主动型，这类微型飞行器由于机械部件和设计较为复杂，在小型化方面一定的局限性。尤其是要在小型化的同时提供飞行所消耗的巨大能量是十分困难的。
而该设备并不需要发动机驱动，而是依靠自然风的吹动来进行飞行。
正是通过对枫树种子等依靠风力去接种等植物种子的研究，该团队从空气动力学方面，对微型飞行器进行了优化，从而确保它从高空降落时，能以受控的低速降落。
控制降落速度不仅能保证飞行更稳定，还能让它在空中飞行的范围可以更广阔，借此也能增加它和空气相互作用的时间，从而让它更好地监测空气污染和空气传播疾病。
微型飞行器身上配有各种超小型化技术，包括传感器、电源、无线通信天线和存储数据的嵌入式存储器等。
而此次研究之所以能成功，是因为受到了生物界的启发。在数十亿年的自然界历史中，大自然用非常复杂的空气动力学设计了种子。该研究也借鉴了这些设计理念，并应用于微型飞行器的电子电路中。
（来源：受访者）
枫叶的螺旋桨状种子，在空中旋转之后，就会缓慢平稳地降落地面，这正是大自然提高植物存活率的一个例子。正因此，原本无法自行移动的枫叶种子能传播得更广，枫树后代也能繁殖到更远的地方。
也正因此，自然界中许多种子才展现出复杂而巧妙的空气动力学特性。而在本次微型飞行器的设计过程中，该团队研究了多类植物种子的空气动力学特征，并从星果藤这一植物中找到了最直接的灵感。
星果藤是一种有着星形种子的开花藤蔓植物，它的种子拥有叶片形状的翅膀，可以在风中慢慢地随风旋转。
在设备的开发设计过程中，一开始该团队设计并制造了多款微型飞行器，其中包括一款与星果藤种子十分相似的的带有三个翅膀的飞行器。
为了确定最理想的结构，他们进行了全尺寸计算的模型设计，通过模拟周围空气流动，最终从微型飞行器身上模拟出三星果藤种子的缓慢可控的旋转。
接下来要进行制备，研究人员使用先进成像和定量流动模式的方法，在实验室中建造并测试了微型飞行器的结构。
在张一慧教授、美国西北大学黄永刚院士领导设计出的飞行器结构模型的基础上，罗杰斯院士带领的团队随后进一步开展了与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械工程副教授莱昂纳多·查莫罗 (Leonardo Chamorro) 之间的合作，在合作中，他们使用先进成像和定量流动模式的方法，在实验室中建造并测试了结构。
采用芯片式设计
制备中，研究人员首先在在平板中造出飞行结构的前驱体。然后，再将这些前体粘在已被稍微拉伸的橡胶基板上。
当原本被拉伸的基底出现松弛时，经过事先控的屈曲过程就会发生，这时机翼便会 “弹出” ，被精确定义的三维形状即可形成。
此外，他们还将电子元件的重心，放在设备的较低位置，从而避免因失去控制而坠落到地面。
Rogers院士认为从某种程度上讲，该团队战胜了自然。至少从狭义上，他们设计并制造出的微型飞行器，比植物或树木种子具备更加稳定的轨迹、以及更慢的下落速度，体积上也比很多自然界的种子要小，甚至没有沙粒大。而设备小型化正是电子行业的主导发展轨迹。
可用于环境监测和水质监测等
其实，就是让它和与物联网结合，投撒到山区和田野中，就能监测环境污染。
而给它搭载上 pH 传感器，还可用于监测水质。另外，搭载上光电探测器，则可用于测量不同波长的阳光照射。
当前，很多监测技术在实践中，都必须使用大型设备。该团队设想，如果从飞机或建筑上投下并广泛分散这类设备，就能让它执化学品泄漏后的环境修复监测，还可在不同高度的空气中跟踪污染水平。
与此同时，该团队也考虑到了可能存在的电子垃圾问题，在废弃设备回收方面，他们已开发出一种瞬态电子器件，它能在 “寿终正寝” 后，以无害的方式在水中溶解。
目前该器件以应用于生物可吸收起搏器，效果也得到了验证。目前，他们正使用同样的材料——可降解聚合物、可堆肥导体和可溶解集成电路芯片来制造微型飞行器。
未来，一旦它不小心落入水中，就能自动溶解，实现真正的 “事了拂衣去” 。
张一慧告诉 DeepTech ，清华团队在微型电子飞行器工作中的贡献主要有三方面，其一是受风传种子启发的仿生结构设计；其二是飞行器结构三维组装的逆向设计与力学分析；其三是，飞行器结构自旋下落的流场模拟和稳定性分析。