Dreidimensionaler elektronischer fliegender Mikrochip

Ingenieure haben elektronischen Mikrochips eine neue Fähigkeit hinzugefügt:Flug. Der neue fliegende Mikrochip (Microflyer) ist etwa so groß wie ein Sandkorn und hat keinen Motor oder Antrieb. Stattdessen fliegt es im Wind – ähnlich wie der Propellersamen eines Ahornbaums – und dreht sich wie ein Hubschrauber durch die Luft zum Boden. Die Mikroflieger können auch mit ultraminiaturisierter Technologie verpackt werden, darunter Sensoren, Stromquellen, Antennen für die drahtlose Kommunikation und eingebettete Speicher zum Speichern von Daten.

Durch die Untersuchung von Ahornbäumen und anderen Arten von windverbreiteten Samen optimierten die Ingenieure die Aerodynamik des Mikrofliegers, um sicherzustellen, dass er, wenn er aus großer Höhe fallen gelassen wird, auf kontrollierte Weise mit langsamer Geschwindigkeit fällt. Dieses Verhalten stabilisiert seinen Flug, sorgt für eine weite Verbreitung und erhöht die Zeit, in der es mit der Luft interagiert, wodurch es ideal für die Überwachung von Luftverschmutzung und luftübertragenen Krankheiten ist.

Um die Mikroflieger zu entwerfen, untersuchte das Team die Aerodynamik einer Reihe von Pflanzensamen und ließ sich dabei am direktesten von der Tristellateia-Pflanze inspirieren, einer blühenden Kletterpflanze mit sternförmigen Samen. Tristellateia-Samen haben klingenförmige Flügel, die den Wind auffangen, um mit einer langsamen, rotierenden Drehung zu fallen.

Das Team entwarf und baute viele verschiedene Arten von Mikrofliegern, darunter einen mit drei Flügeln, die auf ähnliche Formen und Winkel wie die Flügel eines Tristellateia-Samens optimiert wurden. Um die idealste Struktur zu bestimmen, wurde eine umfassende Computermodellierung durchgeführt, wie die Luft um das Gerät strömt, um die langsame, kontrollierte Rotation des Tristellateia-Samens nachzuahmen.

Basierend auf dieser Modellierung baute und testete das Team dann Strukturen im Labor, wobei fortschrittliche Methoden zur Abbildung und Quantifizierung von Strömungsmustern verwendet wurden. Die resultierenden Strukturen können in einer Vielzahl von Größen und Formen gebildet werden.

Zur Herstellung der Geräte ließ sich das Team von einer anderen bekannten Neuheit inspirieren:einem Pop-up-Buch für Kinder. Das Team stellte zunächst Vorläufer für fliegende Strukturen in flachen, planaren Geometrien her. Anschließend klebten sie diese Vorstufen auf ein leicht gestrecktes Gummisubstrat. Beim Entspannen des gedehnten Substrats kommt es zu einem kontrollierten Knickvorgang, der dazu führt, dass die Flügel in genau definierte dreidimensionale Formen „aufspringen“.

Die Mikroflieger bestehen aus zwei Teilen:millimetergroßen elektronischen Funktionsbauteilen und ihren Flügeln. Wenn der Mikroflieger durch die Luft fällt, interagieren seine Flügel mit der Luft, um eine langsame, stabile Drehbewegung zu erzeugen. Das Gewicht der Elektronik ist tief in der Mitte des Mikrofliegers verteilt, um zu verhindern, dass er die Kontrolle verliert und chaotisch zu Boden stürzt.

In demonstrierten Beispielen umfasste das Team Sensoren, eine Stromquelle, die Umgebungsenergie nutzen kann, einen Speicher und eine Antenne, die Daten drahtlos an ein Smartphone, Tablet oder einen Computer übertragen kann. Das Team stattete ein Gerät mit all diesen Elementen aus, um Partikel in der Luft zu erkennen. In einem anderen Beispiel integrierten sie pH-Sensoren, die zur Überwachung der Wasserqualität verwendet werden könnten, und Fotodetektoren, um die Sonneneinstrahlung bei verschiedenen Wellenlängen zu messen.

Eine große Anzahl von Geräten könnte aus einem Flugzeug oder Gebäude abgeworfen und weit verteilt werden, um die Umweltsanierungsbemühungen nach einem Chemieunfall zu überwachen oder den Grad der Luftverschmutzung in verschiedenen Höhen zu verfolgen.

Die physikalisch transienten elektronischen Systeme verwenden abbaubare Polymere, kompostierbare Leiter und auflösbare integrierte Schaltungschips, die auf natürliche Weise in umweltfreundliche Endprodukte verschwinden, wenn sie Wasser ausgesetzt werden.