3D Wind-aangedreven Microchip: Miniautonome Vliegende Sensorplatform

Ingenieurs hebben een nieuwe capaciteit aan elektronische microchips toegevoegd: vlucht. Ongeveer de grootte van een zandkorrel, heeft de nieuwe vliegende microchip (microflier) geen motor of motor. In plaats daarvan vangt het de vlucht op de wind — veelzijdig als een esdoornzaad met propellor — en draait als een helikopter door de lucht naar de grond. De microfliers kunnen ook worden gevuld met ultra-geminimaliseerde technologie waaronder sensoren, energiebronnen, antennes voor draadloze communicatie, en ingebouwd geheugen om data op te slaan.

Door esdoornbomen en andere typen wind-verspreide zaden te bestuderen, hebben de ingenieurs de aerodynamica van de microflier geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat wanneer het vanaf een grote hoogte wordt gedropt, het met een lage snelheid in een gecontroleerde manier daalt. Dit gedrag stabiliseert de vlucht, zorgt voor spreiding over een breed gebied, en verhoogt de hoeveelheid tijd dat het met de lucht interageert, wat het ideaal maakt voor het monitoren van luchtverontreiniging en luchtbonden ziekten.

Om de microfliers te ontwerpen, bestudeerde het team de aerodynamica van een aantal plantenzaadjes, met de meest directe inspiratie afkomstig van de tristellateia plant, een bloeiende klimplant met ster-vormige zaden. Tristellateia zaden hebben gevleugelde vleugels die de wind vangen om met een langzame, draaiende spin te dalen.

Het team ontwierp en bouwde veel verschillende typen microfliers, inclusief een met drie vleugels, geoptimaliseerd naar vergelijkbare vormen en hoeken als de vleugels op een tristellateia zaad. Om de meest ideale structuur te bepalen, werd full-schaal computationele modellering gedaan van hoe de lucht rond het apparaat stroomt om de langzame, gecontroleerde rotatie van de tristellateia zaad na te bootsen.

Op basis van deze modellering bouwde en testte het team structuren in het lab, met geavanceerde methoden voor imaging en het kwantificeren van stromingspatronen. De resulterende structuren kunnen gevormd worden over een wijd scala aan formaten en vormen.

Om de apparaten te produceren, haalde het team inspiratie uit een andere bekende noveltet: een kinder opvouwboek. Het team fabriceerde eerst voorlopers van vliegende structuren in platte, vlakke geometrieën. Vervolgens bonden ze deze voorlopers op een licht gerekte rubber substrate. Wanneer de gerekte substrate ontspant, treedt een gecontroleerd knikproces op dat ervoor zorgt dat de vleugels 'opvouwen' in precies gedefinieerde driedimensionale vormen.

De microfliers bestaan uit twee delen: millimeter-grote elektronische functionele componenten en hun vleugels. Terwijl de microflier door de lucht daalt, interageren de vleugels met de lucht om een langzame, stabiele rotatiebeweging te creëren. Het gewicht van de elektronica is laag in het centrum van de microflier verdeeld om te voorkomen dat het de controle verliest en chaotisch naar de grond tumblelt.

In gedemonstreerde voorbeelden voegde het team sensoren, een energiebron die omgevingsenergie kan oogsten, geheugenopslag, en een antenne die data draadloos kan overdragen naar een smartphone, tablet of computer toe. Het team uitrustte één apparaat met al deze elementen om deeltjes in de lucht te detecteren. In een ander voorbeeld bouwden ze pH-sensoren in die gebruikt kunnen worden om waterkwaliteit te monitoren en fotodetectoren om zonlichtblootstelling op verschillende golflengtes te meten.

Grote aantallen apparaten kunnen vanaf een vliegtuig of gebouw gedropt worden en breed verspreid om milieuhersstel na een chemische lekkage te monitoren of luchtverontreinigingsniveaus op verschillende hoogtes te volgen.

De fysiek transelekttronische systemen gebruiken afbreekbare polymeren, compostabele geleiders, en oplosbare geïntegreerde circuit chips die van nature verdwijnen in milieuvriendelijke eindproducten wanneer ze blootgesteld zijn aan water.