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清华大学,再发Nature:像风一样自由

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iNature前沿 2021-09-24 13:02

小型化无线电子设备的大型分布式集合可能构成未来环境监测、人口监测、疾病管理和其他需要覆盖广阔空间尺度的应用系统的基础。因此,为这些网络组件制定可行的飞行方案势在必行。

2021年9月22日,国伊利诺伊大学厄巴纳分校Leonardo P. Chamorro ,清华大学张一慧,美国西北大学黄永刚及John A. Rogers共同通讯在Nature 在线发表题为“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”的研究论文,该研究报道了一种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。

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植物通过各种各样的被动策略传播种子,每一种策略都是持续自然选择过程的结果。植物学家根据它们的传播载体对这些方法进行分类,主要类型是重力、机械推进、风、水和动物。其中,风力是最强大、适用范围最广的一种。优化后的种子 3D 形状可在这种情况下利用空气流动,可以支持受控自由落体中的稳定动力学和/或促进长达数百公里的运输。

尽管蒲公英种子与环境空气之间的某些相互作用是已知的,但其他类别的风传播种子(例如 Tristellateia(木质藤本植物)的种子)的介导飞行的流动物理学还没有得到很好的理解,也没有对它们的传播进行探索。就像植物使用种子和被动机制来传播遗传物质来繁殖物种一样,有趣的机会可能来自使用类似的方法来分发微型电子传感器、无线通信节点、能量收集组件和/或各种物联网 (IoT) 技术作为跟踪环境过程的监视器、作为指导补救工作的辅助工具或作为支持分布式监视的组件。

风散种子采用的几何形状可以解释为解决由重力和固定生命形式控制的物理问题的进化解决方案,优化被动自由落体期间的动态稳定性和/或运输距离。由气流引起的运动特征定义了四大类种子:(i) 滑翔机,例如爪哇黄瓜 (Alsomitra macrocarpa) ,(ii) 直升飞机,例如Acer negundo,(iii) 降落伞,例如蒲公英 (Taraxacum officinale) 以及 (iv) 扑翼/旋转机,如皇后树(Paulownia tomentosa)。这些设计为人造被动飞行器结构提供灵感,旨在优化功能有效载荷的空中传播。

该研究报道了一种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。

参考消息:

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

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