3D Wind-getriebenes Mikrochip: Winzige autonome fliegende Sensorplattform

Ingenieure haben elektronischen Mikrochips eine neue Fähigkeit hinzugefügt: Flug. Etwa so groß wie ein Sandkorn, hat der neue fliegende Mikrochip (Microflier) keinen Motor oder Antrieb. Stattdessen fängt er den Wind ein – ähnlich wie der Propellersamen eines Ahornbaums – und dreht sich wie ein Hubschrauber durch die Luft zum Boden. Die Microflier können auch mit ultra-miniaturisierter Technologie bestückt werden, einschließlich Sensoren, Stromquellen, Antennen für drahtlose Kommunikation und eingebettetem Speicher zur Datenspeicherung.

Durch die Untersuchung von Ahornbäumen und anderen windverbreiteten Samen optimierten die Ingenieure die Aerodynamik des Microfliers, um sicherzustellen, dass er, wenn er aus großer Höhe fallen gelassen wird, mit langsamer Geschwindigkeit in kontrollierter Weise zu Boden sinkt. Dieses Verhalten stabilisiert seinen Flug, gewährleistet eine Verbreitung über ein breites Gebiet und erhöht die Zeit, in der er mit der Luft interagiert, was ihn ideal für die Überwachung von Luftverschmutzung und luftgetragenen Krankheiten macht.

Um die Microflier zu entwerfen, untersuchte das Team die Aerodynamik einer Reihe von Pflanzensamen und zog seine direkteste Inspiration von der Tristellateia-Pflanze, einer blühenden Ranke mit sternförmigen Samen. Tristellateia-Samen haben geflügelte Flügel, die den Wind einfangen, um mit einer langsamen, kontrollierten Rotation zu fallen.

Das Team entwarf und baute viele verschiedene Arten von Microflipern, einschließlich eines mit drei Flügeln, optimiert auf ähnliche Formen und Winkel wie die Flügel eines Tristellateia-Samens. Um die ideale Struktur zu bestimmen, wurde eine vollständige computergestützte Modellierung 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, باستخدام fortschrittliche Methoden für die Bildgebung und Quantifizierung von Strömungsmustern. Die resultierenden Strukturen können in einer Vielzahl von Größen und Formen hergestellt werden.

Zur Herstellung der Geräte ließ sich das Team von einem weiteren vertrauten Novum inspirieren: einem Kinder-Pop-up-Buch. Das Team fertigte zunächst Vorläufer von Flugstrukturen in flachen, planaren Geometrien an. Dann banden sie diese Vorläufer auf ein leicht gedehntes Gummisubstrat. Wenn das gedehnte Substrat entspannt wird, tritt ein kontrollierter Knickprozess auf, der die Flügel in präzise definierte dreidimensionale Formen „aufpoppen“ lässt.

Die Microflier bestehen aus zwei Teilen: millimetergroßen elektronischen Funktionskomponenten und ihren Flügeln. Während der Microflier durch die Luft fällt, interagieren seine Flügel mit der Luft, um eine langsame, stabile Rotationsbewegung zu erzeugen. Das Gewicht der Elektronik ist tief im Zentrum des Microfliers verteilt, um zu verhindern, dass er die Kontrolle verliert und chaotisch zu Boden stürzt.

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

Große Mengen an Geräten könnten von einem Flugzeug oder Gebäude abgeworfen und breit verstreut werden, um Umweltsanierungsbemühungen nach einem Chemieunfall zu überwachen oder Luftverschmutzungspegel in verschiedenen Höhen zu verfolgen.

Die physisch transienten Elektroniksysteme verwenden abbaubare Polymere, kompostierbare Leiter und auflösbare integrierte Schaltkreischips, die sich bei Kontakt mit Wasser in umweltverträgliche Endprodukte natürlich auflösen.