微型三維電子飛行器“與風(fēng)同行”

李忠東

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微型三維電子飛行器與沙粒差不多大
來自種子的啟發(fā)
長期以來，人類對飛行器的研究一直集中在主動式飛行器上，例如4軸無人機(jī)、受昆蟲或鳥類啟發(fā)的各種飛行器平臺。這類飛行器通常使用撲翼、旋翼或噴氣的主動驅(qū)動方式提供飛行的動力，具有在環(huán)境中自主、獨立運動的優(yōu)勢。然而，主動驅(qū)動方式需要較大的能量供給，難以實現(xiàn)長時間滯空和遠(yuǎn)距離巡航。主動式飛行器需要高度專業(yè)化的平臺和手工技師組裝，成本太高，無法大規(guī)模應(yīng)用。主動驅(qū)動的組件結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，工作時會不可避免地產(chǎn)生噪音，不易隱蔽，致使應(yīng)用受限。主動式飛行器小型化難度極大，一旦縮小尺寸，會因動力供應(yīng)不足無法在現(xiàn)實環(huán)境中應(yīng)用。
植物通過多種被動策略來傳播種子，根據(jù)傳播的載體可將傳播方式分為重力、機(jī)械推進(jìn)，風(fēng)、水和動物傳播。其中一些植物的播種方式非常獨特和新穎，其種子憑借特殊的幾何結(jié)構(gòu)和精妙的力學(xué)設(shè)計，能在無主動驅(qū)動力的情況下被動地隨風(fēng)和氣流飛行，在自由落體過程中增加其終端速度和空氣阻力來提高其動態(tài)穩(wěn)定性，增加飛行距離，去更遠(yuǎn)的地方散播遺傳物質(zhì)，擴(kuò)大種群。這類種子的質(zhì)量一般都非常輕，如山楊的種子5萬粒總重才4克，天鵝絨蘭的種子50萬粒才1克重。它們的形狀可分為降落傘形（如蒲公英）、滑翔機(jī)形（如翅葫蘆）、直升機(jī)形（如梣葉槭和大葉楓）和撲翼或飛旋形（如毛泡桐或臭椿），由于具有非常好的空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)，能迎風(fēng)而起，隨風(fēng)而落，飛得很遠(yuǎn) 。

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微型三維電子飛行器放在普通螞蟻旁邊顯示的比例
研究表明，利用被動機(jī)制幫助種子四處散播，是植物數(shù)十億年進(jìn)化而來的結(jié)果。百合和郁金香的種子呈薄片狀，在風(fēng)的吹拂下可以像滑翔機(jī)似的在空中翱翔。生長在我國南方的植物木蝴蝶，種子的三面有“翅膀”，成熟后從裂開的果實中飛出來，仿佛一群蝴蝶在空中翩翩起舞。蒲公英的種子又輕又小，頂端長有一圈白絨毛，成熟后經(jīng)風(fēng)一吹漫天飛舞，宛如一朵朵“降落傘”飄向遠(yuǎn)方，在合適的環(huán)境下，不費油、不耗電，去數(shù)百千米外扎根生長。星果藤的種子在空中旋轉(zhuǎn)飄落，利用自身的三維結(jié)構(gòu)，保持下落姿態(tài)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)長時間滯空。
由美國西北大學(xué)的物理化學(xué)家約翰·羅杰斯教授領(lǐng)銜的聯(lián)合研究團(tuán)隊，全面研究自然界中植物種子的各種傳播技術(shù)，從蒲公英的“降落傘”到爪哇黃瓜使用的“滑翔機(jī)”，再到槐樹種子的“翅膀”和“旋轉(zhuǎn)器”，他們對多種植物種子的空氣動力學(xué)特征進(jìn)行了比較。其中，楓樹或木本藤蔓散布的會旋轉(zhuǎn)的“直升機(jī)形”的種子引起了他們極大的興趣，這些種子從樹端飄落，通過在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)最大限度地延長滯空時間，能在被動驅(qū)動的情況下飛行幾千米甚至更遠(yuǎn)的距離，堪稱大自然的“杰作” 。
最終，研究人員從三星果屬植物中獲得了最直接的靈感，這種藤本植物的星形種子上有類似“翅膀”的葉片，具有良好的空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)，可以隨著風(fēng)緩慢旋轉(zhuǎn)飄浮。有一種微型飛行器，就是以三星果屬植物種子為模板的微型三維電子飛行器，每個只有500微米（0.5毫米）長。勇于創(chuàng)新攻難關(guān)
研究團(tuán)隊清楚地意識到，研制微型三維電子飛行器必須闖過兩關(guān)，才能達(dá)成預(yù)期的目標(biāo) 。其中，第一關(guān)是理論階段。首先，必須弄清楚自然界依靠風(fēng)力傳播的種子是如何利用自身結(jié)構(gòu)盡可能地延長滯空飛行時間并實現(xiàn)穩(wěn)定下落的。科學(xué)家們首先分析了自然界中那些靠風(fēng)來散播的種子的形狀，其中的關(guān)鍵是抓住復(fù)雜自然現(xiàn)象的主要矛盾，抽象為基本的科學(xué)問題。無論是植物種子還是微型三維電子飛行器，滯空能力是確保它們在空氣中長時間自由飛行的關(guān)鍵，終端速度是衡量滯空能力的重要指標(biāo) 。物體在空氣中達(dá)到勻速下落狀態(tài)時，空氣對物體的阻力與物體自身重力等值。而該阻力通常與下落速度和迎風(fēng)面積相關(guān)，因此盡可能增大迎風(fēng)面積對降低物體的終端速度至關(guān)重要。可以想象，將材料像紙張一樣展開，使其紙面方向保持水平，能降低其最終速度。然而，這種二維結(jié)構(gòu)在實際下落過程中難以保持水平，極易發(fā)生翻轉(zhuǎn)、顫動等。實驗結(jié)果顯示，相對二維結(jié)構(gòu)而言，三維旋落飛行器會在尾端形成較大的尾流，并且在豎直方向具有更大的速度擾動。
研究人員用計算機(jī)模擬了與這些種子形狀相似但幾何結(jié)構(gòu)略有不同的物體周圍的氣流，通過流體力學(xué)數(shù)值計算下落過程，并建立了相應(yīng)的理論模型，系統(tǒng)地揭示了旋落過程的運動機(jī)理。工程師們成功預(yù)測了不同結(jié)構(gòu)的終端速度，與數(shù)值模擬和下落實驗結(jié)果相吻合。此外，耦合空氣作用力的旋轉(zhuǎn)動力穩(wěn)定性模型為此類飛行器的旋轉(zhuǎn)下落穩(wěn)定性提供了理論基礎(chǔ) 。工程師通過粒子圖像測速法，獲得了三維飛行器旋落狀態(tài)下高精度的流場圖，進(jìn)一步深入地解析其運動特性，改進(jìn)多種設(shè)計，直到微型三維電子飛行器下降得比植物種子更穩(wěn)定、更緩慢。
【微型三維電子飛行器“與風(fēng)同行”】對此，約翰·羅杰斯教授介紹道：“‘麻雀雖小，五臟俱全，微型三維電子飛行器由機(jī)翼和電子功能部件兩部分組成。電子功能部件包括傳感器、電源、無線通信天線和存儲數(shù)據(jù)的嵌入式存儲器等，所有零件都是微米到毫米級大小。其中，傳感器收集設(shè)備周圍環(huán)境的信息，無線通信天線向科學(xué)家發(fā)送這些數(shù)據(jù) 。微型三維電子飛行器不用馬達(dá)，以風(fēng)為動力，像種子一樣飄飛。它們下落的速度緩慢（約0.28米/秒），只有雪花平均下落速度的八分之一左右，有較好的飛行穩(wěn)定性。”
第二關(guān)是實踐階段。研究人員將理論預(yù)測設(shè)計的三維構(gòu)型制造出來，并在幾毫米的尺度上集成微電子器件。在實驗中，研究團(tuán)隊搭建了一種技術(shù)框架，用以生產(chǎn)微型（小于1 毫米）、毫米級和宏觀（大于1毫米）的微型三維電子飛行器。研究團(tuán)隊使用模擬和風(fēng)洞實驗，研究了改變設(shè)計參數(shù)（如飛行器直徑、結(jié)構(gòu)和翼型）的空氣動力學(xué)影響。在直升機(jī)形和飛旋形種子中，旋轉(zhuǎn)行為加強(qiáng)了這些裝置的穩(wěn)定性和飛行行為。
為了低成本、高效率地構(gòu)建微型電子飛行器的三維結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們從彈出式立體書籍中獲得靈感。他們首先制作出二維飛翼，然后將它們有選擇地粘貼在一層叫作“彈性體”的可伸縮材料上。這種材料收縮時，會把飛翼拉扯成最終的三維結(jié)構(gòu) 。
經(jīng)過以上步驟，研究人員終于研制出各種大小和形狀的結(jié)構(gòu)，有些甚至能與自然界的種子媲美。廣闊的應(yīng)用前景
微型三維電子飛行器以風(fēng)為動力，在空氣中具有良好的滯空性。如果加上傳感器、存儲器、可收集環(huán)境能量的電源和一根數(shù)據(jù)線，即可組裝成空氣微粒檢測設(shè)備。而給它們搭載上 pH 傳感器，能用于監(jiān)測水質(zhì) 。搭載上光電探測器，則可用于測量不同波長的陽光照射。目前，很多監(jiān)測技術(shù)在實踐中都必須使用大型設(shè)備。而微型電子飛行器則可以像植物種子一樣從飛機(jī)或建筑物上大量投放，借助風(fēng)力散布到廣闊區(qū)域，有望成為未來飛行器“物聯(lián)網(wǎng)”的節(jié)點，構(gòu)建具有超高空間深度與時間廣度的低成本實時監(jiān)測系統(tǒng) 。沙粒般的微型電子飛行器隨風(fēng)飄蕩，能夠在不同高度的空氣中跟蹤污染水平，監(jiān)測那些同樣靠氣流傳播的細(xì)菌、病毒、病原體和氣溶膠等，標(biāo)記流行病的早期預(yù)警信號，助力未來疫情監(jiān)測與病毒防控。

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微型三維電子飛行器由電子功能部件和機(jī)翼兩部分組成

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電子功能部件包括傳感器、電源、無線通信天線和存儲數(shù)據(jù)的嵌入式存儲器等
微型三維電子飛行器的研制成功，為整合復(fù)雜的集成電路以提高飛行能力鋪平了道路。但它尚處在一個概念驗證的階段，需要進(jìn)行實地測試。研究人員的目標(biāo)是空投數(shù)千個微型飛行器，這些設(shè)備會根據(jù)其降落地點的鉛、鎘或汞含量改變顏色。隨后，一架無人機(jī)將從投放地點上空飛過，拍攝該地區(qū)的高分辨率圖像。根據(jù)飛行器的變色情況，研究人員就能繪制出該地區(qū)的污染物濃度圖。