Новый летающий микрочип размером с песчинку (или "микровзрыватель") не имеет двигателя. Вместо этого он ловит полет на ветру - очень похоже на семя пропеллера кленового дерева - и вращается, как вертолет, по воздуху к земле.

Изучая кленовые деревья и другие виды семян, рассеиваемых ветром, инженеры оптимизировали аэродинамику микрофлайера, чтобы гарантировать, что при падении на большой высоте он падает с низкой скоростью контролируемым образом. Такое поведение стабилизирует его полет, обеспечивает рассеивание на большой площади и увеличивает время взаимодействия с воздухом, что делает его идеальным для мониторинга загрязнения воздуха и заболеваний, передаваемых воздушно-капельным путем.

Являясь самыми маленькими летающими конструкциями, когда-либо созданными человеком, эти микрофлайеры также могут быть оснащены ультраминиатюрными технологиями, включая датчики, источники питания, антенны для беспроводной связи и встроенную память для хранения данных.

Исследование опубликовано на обложке номера от 23 сентября Природа.

"Наша цель состояла в том, чтобы добавить "крылатый полет" к мелкомасштабным электронным системам, предполагая, что эти возможности позволят нам распространять высокофункциональные миниатюрные электронные устройства для определения состояния окружающей среды для мониторинга загрязнения, наблюдения за населением или отслеживания заболеваний", - сказал Джон А. Роджерс из Northwestern, который руководил разработкой устройства.. "Мы смогли сделать это, используя идеи, вдохновленные биологическим миром. На протяжении миллиардов лет природа создавала семена с очень сложной аэродинамикой. Мы позаимствовали эти концепции дизайна, адаптировали их и применили к платформам электронных схем".

Пионер в области биоэлектроники, Роджерс является профессором материаловедения и инженерии Луиса Симпсона и Кимберли Куэрри, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Инженерной школе Маккормика и медицинской школе Фейнберга, а также директором Института биоэлектроники Куэрри Симпсона. Юнган Хуан, профессор машиностроения Яна и Марсии Ахенбах в McCormick, руководил теоретической работой исследования.

"Мы думаем, что победили природу"

Большинство людей наблюдали, как семя кленового листа, вращающееся пропеллером, проносится по воздуху и мягко приземляется на тротуар. Это всего лишь один пример того, как природа разработала умные, изощренные методы для повышения выживаемости различных растений. Обеспечивая широкое распространение семян, в противном случае малоподвижные растения и деревья могут распространять свои виды на огромные расстояния, заселяя обширные территории.

"Эволюция, вероятно, была движущей силой сложных аэродинамических свойств, проявляемых многими классами семян", - сказал Роджерс. "Эти биологические структуры спроектированы так, чтобы падать медленно и контролируемым образом, поэтому они могут взаимодействовать с ветровыми режимами в течение максимально длительного периода времени. Эта функция максимизирует боковое распределение с помощью чисто пассивных, воздушных механизмов."

Чтобы спроектировать микроволокна, команда Northwestern изучила аэродинамику семян ряда растений, черпая вдохновение из растения tristellateia, цветущей лозы со звездообразными семенами. Семена тристеллатии имеют лопастные крылья, которые ловят ветер и падают с медленным вращением.

Роджерс и его команда спроектировали и построили множество различных типов микроволокон, в том числе одно с тремя крыльями, оптимизированное под те же формы и углы, что и крылья у семян тристеллатии. Чтобы точно определить наиболее идеальную структуру, Хуан провел полномасштабное компьютерное моделирование того, как воздух обтекает устройство, имитируя медленное контролируемое вращение семян тристеллатии.

Основываясь на этом моделировании, группа Роджерса затем построила и протестировала структуры в лаборатории, используя передовые методы визуализации и количественной оценки моделей потока в сотрудничестве с Леонардо Чаморро, адъюнкт-профессором машиностроения в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн.

В результате могут быть сформированы структуры самых разнообразных размеров и форм, некоторые из которых обладают свойствами, которые могут дать природе преимущество за ее деньги.

"Мы думаем, что победили природу", - сказал Роджерс. "По крайней мере, в том узком смысле, что мы смогли построить структуры, которые падают по более стабильным траекториям и с более медленными конечными скоростями, чем эквивалентные семена, которые вы могли бы увидеть на растениях или деревьях. Мы также смогли построить эти вертолетные летающие конструкции гораздо меньших размеров, чем те, что встречаются в природе. Это важно, потому что миниатюризация устройств представляет собой доминирующую траекторию развития в электронной промышленности, где датчики, радиоприемники, батареи и другие компоненты могут быть изготовлены во все меньших размерах ".

От растений до всплывающих книг

При изготовлении устройств команда Роджерса черпала вдохновение из другой знакомой новинки: детской всплывающей книги.

Его команда впервые изготовила предшественники летающих конструкций в плоской геометрии. Затем они приклеили эти предшественники на слегка растянутую резиновую подложку. Когда растянутая подложка расслабляется, происходит контролируемый процесс изгиба, который заставляет крылья "всплывать" в точно определенные трехмерные формы.

"Эта стратегия построения 3D-структур из 2D-предшественников является мощной, потому что все существующие полупроводниковые устройства построены в плоских макетах", - сказал Роджерс. "Таким образом, мы можем использовать самые передовые материалы и методы производства, используемые в индустрии бытовой электроники, для создания полностью стандартных плоских конструкций, похожих на чипы. Затем мы просто преобразуем их в 3D-летающие фигуры по принципам, аналогичным принципам всплывающей книги ".

Наполненный обещаниями

Микроволокна состоят из двух частей: электронных функциональных компонентов миллиметрового размера и их крыльев. Когда микроволокно падает по воздуху, его крылья взаимодействуют с воздухом, создавая медленное, стабильное вращательное движение. Вес электроники распределен низко в центре микроволокна, чтобы предотвратить его потерю контроля и хаотичное падение на землю.

В продемонстрированных примерах команда Роджерса включила датчики, источник питания, который может собирать энергию окружающей среды, запоминающее устройство и антенну, которая может передавать данные по беспроводной сети на смартфон, планшет или компьютер.

В лаборатории группа Роджерса оснастила одно устройство всеми этими элементами для обнаружения твердых частиц в воздухе. В другом примере они включили датчики рН, которые можно было бы использовать для контроля качества воды, и фотоприемники для измерения воздействия солнца на разных длинах волн.

Роджерс предполагает, что большое количество устройств можно было бы сбросить с самолета или здания и широко рассредоточить для мониторинга усилий по восстановлению окружающей среды после разлива химических веществ или для отслеживания уровней загрязнения воздуха на различных высотах.

"Большинство технологий мониторинга включают в себя массовые приборы, предназначенные для локального сбора данных в небольшом количестве мест в интересующей пространственной области", - сказал Роджерс. "Мы предполагаем большое количество миниатюрных датчиков, которые могут быть распределены с высокой пространственной плотностью на больших площадях, образуя беспроводную сеть".

Акт исчезновения

Но как насчет всего этого электронного мусора? У Роджерса есть план на этот счет. В его лаборатории уже разрабатываются переходные электронные устройства, которые могут безвредно растворяться в воде после того, как в них больше нет необходимости - как продемонстрировано в недавней работе над биорезорбируемыми кардиостимуляторами.Теперь его команда использует те же материалы и методы для создания микроволокон, которые естественным образом разлагаются и со временем исчезают в грунтовых водах.

"Мы производим такие физически переходные электронные системы, используя разлагаемые полимеры, компостируемые проводники и растворимые микросхемы интегральных схем, которые естественным образом превращаются в экологически безопасные конечные продукты при воздействии воды", - сказал Роджер. "Мы признаем, что восстановление больших коллекций микровзрывов может быть затруднено. Чтобы устранить эту проблему, эти экологически рассасывающиеся версии растворяются естественным и безвредным образом".

Исследование "Трехмерные электронные микроволокна, вдохновленные рассеянными ветром семенами", было поддержано Институтом биоэлектроники Куэрри Симпсона при Северо-Западном университете. В дополнение к Роджерсу и Хуангу, соавторами-корреспондентами являются Леонардо Чаморро из Университета Иллинойса и Ихуэй Чжан из Университета Цинхуа в Китае. Первыми авторами статьи являются Бонг Хун Ким из Университета Сунсиль в Корее, Кан Ли из Университета науки и технологий Хуачжон в Китае, а также Джин Тэ Ким и Юнсок Пак, оба из лаборатории Роджерса в Северо-Западном университете.

Видео с микрофлиером: https://www.youtube.com/watch?v=x6gB1hKjDys