启发于自然，两位院士一起发表的第 6 篇Nature！

奇物论

2021-09-25

到目前为止，对飞行器的研究主要集中在主动系统上，包括四轴飞行器和受昆虫或鸟类启发的机器人平台。主动系统的优势在于能够在其环境中独立移动。然而，由于较大平台（例如翼展约为 50 厘米的四轴飞行器）的尺寸和安全问题，它们的实际应用受到限制。而在较小平台（翼展约为 3.5 cm）的情况下，却缺乏能够在现实世界中实现自主运动的机载电子设备和电源。此外，由于这些研究平台高度专业化并且是手工组装的，因此它们不能用于集体系统的研究。

植物使用被动机制——例如通过风传播种子——来帮助传播它们的遗传信息。风散的种子具有特定的几何形状，通过在自由落体过程中降低其终端速度和增加空气阻力来提高其动态稳定性和运输距离。这种几何形状大致分为四类：降落伞、滑翔机、直升机和扑翼机（也称为旋转器）。风的传播可以将种子运送数百公里。这些被动分散机制可以作为动态传感器网络的机械模拟，其中高空间范围和低功耗是关键特征。

于此，美国西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士、清华大学张一慧和伊利诺伊大学Leonardo P. Chamorro等人报道了一种三维电子微型飞行器，其灵感来自于某些种子的被动直升机式风扩散机制。

所采用的生产工艺能够快速并行制造许多飞片，并允许使用标准绝缘体上硅技术集成简单的电子电路。调整设计参数（如直径、孔隙率和机翼类型）可在设备和周围空气之间产生有益的相互作用。这种相互作用降低了飞片的末端速度，增加了空气阻力，并通过诱导旋转运动提高了稳定性。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、无线通信节点或基于称为物联网的互联网连接设备网络的各种其他技术。

该课题组概述了一个框架，可以在微观尺度（小于 1 mm）、毫米尺度和宏观尺度（大于 1 mm）上生产飞片。在这个框架中，设备的 3D 形状是使用平面制造工艺创建的——制造方法类似于半导体行业使用的制造方法。一层形状记忆聚合物在特定位置与预应变弹性体结合。当应变释放时，这些部位的相关屈曲导致材料折叠，形状记忆效应将飞片固定为 3D 形状。

图|受风散种子启发的 3D 微型飞行器

这些装置的整体形状、纵横比以及空气动力学表面的数量和形状可以有所不同。重要的是，由于该框架使用平面制造和光刻（表面图案化）技术，因此可以在单个组装过程中制作数百个采用不同参数设计的飞片。这对于将构成物联网一部分的设备的实际实现至关重要。

使用分析、计算和实验技术，研究人员定义并量化了这些飞行器的潜在空气动力学机制。作者探讨了在自由落体过程中，尺寸、孔隙率、机翼数量和展弦比对装置终端速度和稳定性的影响。他们发现，由于从平滑（层流）气流过渡到湍流，尺度对终端速度的影响最大。多孔特性与降落伞状种子的效果相似，降低了终端速度，但对微型飞行器的影响大于对宏观飞行器的影响。相比之下，气动表面的曲率和角度对宏观飞行器的影响大于对微观飞行器的影响。

图|飞行器空气动力学的理论分析和数值模拟

尽管这项工作主要侧重于了解这些飞行器的空气动力学机制，但研究人员也表明生产过程支持半导体制造的集成。作者构建了包含简单半导体器件（晶体管和二极管）的飞行器，并发现这些器件的性能与使用传统技术制造的器件一样好。未来的研究可以研究复杂的集成电路是否可以直接集成到飞片中，以创建轻巧且可移动的微型传感设备。目前，作者使用了一个宏观飞行器（直径为 5 cm），其中包含一个简单的电路来检测空气中的粒子，实现了一种用于大气测量的无电池无线设备。

图| 3D 比色

本研究提供了对这些工程系统的基本理解，并提出了一些有待于未来研究解决的问题。需要对风如何影响飞行器的空气动力学进行进一步分析，研究人员虑了几个环境因素，但风仍需要详细调查。此外，作者的研究结果集中在直升机式和旋转式散布方法上，这使得降落伞式和滑翔式飞行器的设计有待于未来的研究，并提出了空间范围、有效载荷等之间可能的权衡问题。

该工作还为集成复杂的集成电路以提高飞行器的能力铺平了道路。自 1990 年代以来，研究人员一直在开发毫米级无线传感系统。为这些设备提供一个平台可以为未来的物联网技术提供更好的空间范围。

值得注意的是，黄永刚院士和John A. Rogers院士合作的十多年间，加上最新的这篇，已经联合发表了16篇Nature、Science正刊了，其中Nature有6篇，Science达10篇之多。

参考文献：

1. Kim, B.H., Li, K., Kim, JT. et al. Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds. Nature 597, 503–510 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

2. Seed-inspired vehicles take flight. Nature 597, 480-481 (2021)

https://doi.org/10.1038/d41586-021-02490-x