Microcipul înaripat este cea mai mică structură zburătoare creată vreodată de om – de mărimea unui bob de nisip

Un microfilter 3D stă lângă o furnică comună pentru a arăta scala. Credit: Universitatea Northwestern

Dimensiunea unui bob de nisip, microfiltrele împrăștiate ar putea monitoriza poluarea aerului, bolile aeriene și contaminarea mediului.

Universitatea Northwestern inginerii au adăugat o nouă capacitate microcipurilor: furtul.

În ceea ce privește mărimea unui bob de nisip, noul microcip zburător (sau „microfier”) nu are motor sau motor. În schimb, ia zborul cu vântul – la fel ca semințele de elice ale unui arțar – și se rotește ca un elicopter prin aer spre sol.

Prin studierea arțarilor și a altor tipuri de semințe dispersate de vânt, inginerii au optimizat aerodinamica microfierului pentru a se asigura că – atunci când este eliberat la altitudini mari – cade cu o viteză mică într-un mod controlat. Acest comportament își stabilizează zborul, asigură dispersia pe o zonă largă și crește durata interacțiunii cu aerul, făcându-l ideal pentru monitorizarea poluării aerului și a bolilor aeropurtate.

Microflier 3D Close Up

Un prim-plan al unui microfug 3D, echipat cu o antenă cu bobină și senzori UV. Credit: Universitatea Northwestern

Fiind cele mai mici structuri zburătoare create vreodată de oameni, aceste microfilere pot prezenta, de asemenea, tehnologie ultra-miniaturizată, inclusiv senzori, surse de alimentare, antene pentru comunicații fără fir și memorie încorporată pentru stocarea datelor.

Cercetarea este prezentată pe coperta numărului din 23 septembrie 2021 Natură.

“Scopul nostru a fost să adăugăm zbor cu aripi la sistemele electronice la scară mică, cu ideea că aceste capabilități ne vor permite să distribuim dispozitive electronice miniaturizate extrem de funcționale pentru a detecta mediul în vederea monitorizării contaminării, monitorizării mediului. Monitorizarea populației sau a bolilor”, a declarat Northwestern’s Ioan. A. Rogers, care a condus dezvoltarea dispozitivului. „Am putut face acest lucru folosind idei inspirate din lumea organică. De-a lungul a miliarde de ani, natura a proiectat semințe cu aerodinamică extrem de sofisticată. Am împrumutat aceste concepte de proiectare, le-am adaptat și le-am aplicat pe platformele de circuite electronice.

Pionier în bioelectronică, Rogers este Louis Simpson și Kimberly Querrey profesor de știință și inginerie a materialelor, inginerie biomedicală și chirurgie neurologică la Școala de Inginerie McCormick și la Școala de Medicină Feinberg și director al Institutului de Bioelectronică Querrey Simpson. Yonggang Huang, Jan și Marcia Achenbach, profesor de inginerie mecanică la McCormick, au condus lucrările teoretice ale studiului.

READ  Un meteor a traversat cerul peste Vermont în acest weekend

„Credem că batem natura”

Majoritatea oamenilor au văzut sămânța elicei învârtite a unei frunze de arțar rotindu-se în aer și aterizând încet pe trotuar. Acesta este doar un exemplu al modului în care natura a dezvoltat metode inteligente și sofisticate pentru a crește supraviețuirea diferitelor plante. Asigurându-se că semințele sunt dispersate pe scară largă, altfel plantele și copacii sedentari își pot răspândi speciile pe distanțe mari pentru a popula zone întinse.

“Evoluția a fost probabil forța motrice din spatele proprietăților aerodinamice sofisticate prezentate de multe clase de semințe”, a spus Rogers. „Aceste structuri biologice sunt proiectate să cadă încet și într-un mod controlat, astfel încât să poată interacționa cu vânturile pentru cea mai lungă perioadă de timp posibilă. Această caracteristică maximizează distribuția laterală prin mecanisme pur aeriene pasive.

Pentru a proiecta microfilterele, echipa din nord-vest a studiat aerodinamica unui număr de semințe de plante, inspirate direct din tristellateia, o viță de vie înflorită cu semințe în formă de stea. Semințele Tristellateia au aripi cu palete care prind vântul să cadă cu o rotație lentă, rotativă.

Rogers și echipa sa au proiectat și construit multe tipuri diferite de microflere, inclusiv una până la trei aripi, optimizate pentru forme și unghiuri similare cu cele ale aripilor unei semințe de tristellateia. Pentru a identifica cea mai ideală structură, Huang a realizat o modelare pe scară largă pe computer a modului în care aerul circulă în jurul dispozitivului pentru a imita rotația lentă și controlată a semințelor tristellateia.

Pe baza acestei modelări, grupul Rogers a construit și testat apoi structuri în laborator, folosind metode avansate de imagistică și cuantificarea modelelor de flux în colaborare cu Leonardo Chamorro, profesor asociat de inginerie mecanică la Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign.

Structurile rezultate pot fi formate într-o mare varietate de dimensiuni și forme, unele cu proprietăți care pot da naturii o fugă pentru banii săi.

„Credem că batem natura”, a spus Rogers. „Cel puțin în sens restrâns că am reușit să construim structuri care cad cu traiectorii mai stabile și la viteze terminale mai mici decât semințele echivalente pe care le-ați vedea de la plante sau copaci. De asemenea, am putut construi aceste structuri de zbor cu elicopterul la dimensiuni mult mai mici decât cele găsite în natură. Acest lucru este important, deoarece miniaturizarea dispozitivelor reprezintă traiectoria dominantă de dezvoltare în industria electronică, unde senzorii, aparatele de radio, bateriile și alte componente pot fi construite în dimensiuni tot mai mici.

READ  NASA și SpaceX lucrează la detaliile finale ale navei spațiale Crew Dragon

De la plante la cărți pop-up

Pentru realizarea dispozitivelor, echipa Rogers s-a inspirat dintr-o altă noutate familiară: o carte pop-up pentru copii.

Echipa sa a fabricat mai întâi precursori ai structurilor zburătoare în geometrii plane și plane. Apoi au lipit acești precursori pe un substrat de cauciuc ușor întins. Când substratul întins este relaxat, are loc un proces de flambaj controlat care face ca aripile să „apară” în forme tridimensionale definite cu precizie.

„Această strategie de construire a structurilor 3D din precursori 2D este puternică deoarece toate dispozitivele semiconductoare existente sunt construite în configurații plane”, a spus Rogers. „Acest lucru ne permite să valorificăm cele mai avansate materiale și metode de fabricație utilizate de industria electronică de consum pentru a crea modele complet standard, plate, asemănătoare cipurilor. Apoi le transformăm pur și simplu în forme zburătoare 3D folosind principii similare unei cărți pop-up.

Plin de promisiuni

Microfierele sunt alcătuite din două părți: componente electronice funcționale de dimensiuni milimetrice și aripile lor. Pe măsură ce microfiltrul cade prin aer, aripile sale interacționează cu aerul pentru a crea o mișcare de rotație lentă și stabilă. Greutatea electronice este distribuită scăzută în centrul microfiltrului pentru a preveni pierderea controlului și căderea haotică la sol.

În exemple demonstrate, echipa Rogers a inclus senzori, o sursă de energie care poate recolta energia ambientală, stocarea memoriei și o antenă care poate transfera date fără fir către un smartphone, tabletă sau tabletă.

În laborator, grupul Rogers a echipat un dispozitiv cu toate aceste elemente pentru a detecta particulele din aer. Într-un alt exemplu, au încorporat senzori de pH care ar putea fi utilizați pentru a monitoriza calitatea apei și fotodetectori pentru a măsura expunerea la soare la diferite lungimi de undă.

Rogers își imaginează că un număr mare de dispozitive ar putea fi aruncate dintr-un avion sau clădire și dispersate pe scară largă pentru a monitoriza eforturile de remediere a mediului după o deversare chimică sau pentru a urmări nivelurile de poluare din aer la diferite altitudini.

READ  Summitul chinezesc grandios trece aproape neobservat / Article / Fr.lsm.lv

„Majoritatea tehnologiilor de supraveghere implică instrumente în vrac concepute pentru a colecta date la nivel local într-un număr mic de locații într-o zonă spațială de interes”, a spus Rogers. „Avem în vedere o multitudine de senzori miniaturizați care pot fi distribuiți la densitate spațială ridicată pe suprafețe mari, pentru a forma o rețea fără fir. “

Certificat de dispariție

Dar ce se întâmplă cu toate deșeurile electronice? Rogers are un plan pentru asta. Laboratorul său dezvoltă deja componente electronice tranzitorii care se pot dizolva în siguranță în apă atunci când nu mai sunt necesare, așa cum a arătat lucrările recente privind stimulatoarele cardiace bioabsorbabile. Acum echipa sa folosește aceleași materiale și tehnici pentru a construi microflutere care se degradează în mod natural și dispar în apele subterane în timp.

“Realizăm astfel de sisteme electronice tranzitorii fizic folosind polimeri degradabili, conductori compostabili și circuite integrate solubile care dispar în mod natural în produse finale ecologice atunci când sunt expuse la apă”, a spus Roger. „Recunoaștem că recuperarea unor colecții mari de microfilere ar putea fi dificilă. Pentru a răspunde acestei preocupări, aceste versiuni absorbibile din mediu se dizolvă în mod natural și inofensiv.

Referință: „Microfliere electronice tridimensionale inspirate de semințe împrăștiate de vânt” de Bong Hoon Kim, Kan Li, Jin-Tae Kim, Yoonseok Park, Hokyung Jang, Xueju Wang, Zhaoqian Xie, Sang Min Won, Hong-Joon Yoon, Geumbee Lee, Woo Jin Jang, Kun Hyuck Lee, Ted S. Chung, Yei Hwan Jung, Seung Yun Heo, Yechan Lee, Juyun Kim, Tengfei Cai, Yeonha Kim, Poom Prasopsukh, Yongjoon Yu, Xinge Yu, Raudel Avila, Haiwen Luan , Honglie Song, Feng Zhu, Ying Zhao, Lin Chen, Seung Ho Han, Jiwoong Kim, Soong Ju Oh, Heon Lee, Chi Hwan Lee, Yonggang Huang, Leonardo P. Chamorro, Yihui Zhang și John A. Rogers, 22 septembrie 2021, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03847-y

Studiul a fost susținut de Institutul de Bioelectronică Querrey Simpson de la Universitatea Northwestern. Pe lângă Rogers și Huang, printre autorii corespondenți se numără și Leonardo Chamorro de la Universitatea din Illinois și Yihui Zhang de la Universitatea Tsinghua din China. Primii autori ai articolului sunt Bong Hoon Kim de la Universitatea Soongsil din Coreea, Kan Li de la Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong din China și Jin-Tae Kim și Yoonseok Park, ambele în laboratorul Rogers din nord-vest.

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *