Driedimensionale elektronische vliegende microchip

Ingenieurs hebben een nieuwe mogelijkheid toegevoegd aan elektronische microchips:vliegen. De nieuwe vliegende microchip (microflier) is ongeveer zo groot als een zandkorrel en heeft geen motor of motor. In plaats daarvan vangt het de vlucht op de wind - net als het propellerzaad van een esdoorn - en draait het als een helikopter door de lucht naar de grond. De microfliers kunnen ook worden verpakt met ultrageminiaturiseerde technologie, waaronder sensoren, stroombronnen, antennes voor draadloze communicatie en ingebouwd geheugen om gegevens op te slaan.

Door esdoorns en andere soorten door de wind verspreide zaden te bestuderen, hebben de ingenieurs de aerodynamica van de microflier geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat wanneer deze op grote hoogte valt, deze op een gecontroleerde manier met een lage snelheid valt. Dit gedrag stabiliseert zijn vlucht, zorgt voor verspreiding over een breed gebied en verlengt de tijd dat het in contact komt met de lucht, waardoor het ideaal is voor het bewaken van luchtvervuiling en door de lucht overgedragen ziekten.

Om de microfliers te ontwerpen, bestudeerde het team de aerodynamica van een aantal plantenzaden, waarbij de meest directe inspiratie werd gehaald uit de tristellateia-plant, een bloeiende wijnstok met stervormige zaden. Tristellateia-zaden hebben vleugels met bladen die de wind vangen om te vallen met een langzame, roterende draai.

Het team ontwierp en bouwde veel verschillende soorten microfliers, waaronder een met drie vleugels, geoptimaliseerd voor vergelijkbare vormen en hoeken als de vleugels op een tristellateia-zaadje. Om de meest ideale structuur vast te stellen, werd computermodellering op volledige schaal uitgevoerd van hoe de lucht rond het apparaat stroomt om de langzame, gecontroleerde rotatie van het tristellateia-zaad na te bootsen.

Op basis van deze modellering bouwde en testte het team vervolgens structuren in het laboratorium, met behulp van geavanceerde methoden voor het afbeelden en kwantificeren van stromingspatronen. De resulterende structuren kunnen worden gevormd in een breed scala aan maten en vormen.

Om de apparaten te vervaardigen, liet het team zich inspireren door een andere bekende nieuwigheid:een pop-upboek voor kinderen. Het team vervaardigde eerst voorlopers van vliegende structuren in platte, vlakke geometrieën. Vervolgens bonden ze deze voorlopers op een licht uitgerekt rubbersubstraat. Wanneer het uitgerekte substraat wordt ontspannen, vindt een gecontroleerd knikproces plaats waardoor de vleugels "opduiken" in nauwkeurig gedefinieerde driedimensionale vormen.

De microfliers bestaan ​​uit twee delen:elektronische functionele componenten ter grootte van een millimeter en hun vleugels. Terwijl de microflier door de lucht valt, werken zijn vleugels samen met de lucht om een ​​langzame, stabiele rotatiebeweging te creëren. Het gewicht van de elektronica is laag in het midden van de microflier verdeeld om te voorkomen dat deze de controle verliest en chaotisch op de grond valt.

In gedemonstreerde voorbeelden gebruikte het team sensoren, een stroombron die omgevingsenergie kan oogsten, geheugenopslag en een antenne die draadloos gegevens kan overbrengen naar een smartphone, tablet of computer. Het team heeft één apparaat uitgerust met al deze elementen om deeltjes in de lucht te detecteren. In een ander voorbeeld hebben ze pH-sensoren ingebouwd die kunnen worden gebruikt om de waterkwaliteit te bewaken en fotodetectoren om blootstelling aan de zon op verschillende golflengten te meten.

Grote aantallen apparaten kunnen uit een vliegtuig of gebouw worden gedropt en wijd verspreid om de inspanningen voor milieusanering na een chemische lekkage te volgen of om de niveaus van luchtvervuiling op verschillende hoogten te volgen.

De fysiek voorbijgaande elektronische systemen maken gebruik van afbreekbare polymeren, composteerbare geleiders en oplosbare chips met geïntegreerde schakelingen die op natuurlijke wijze verdwijnen in milieuvriendelijke eindproducten wanneer ze worden blootgesteld aan water.