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研究團隊研發(fā)出飛行微裝置可建立無電池無線設備

發(fā)布日期： 2021-09-24 09:54:35 來源：科技日報

英國《自然》雜志近日發(fā)表一項工程學突破，包括美國西北大學科學家在內(nèi)的研究團隊研發(fā)了一種飛行裝置，其受到風力傳播的植物種子啟發(fā)，未來可應用于環(huán)境監(jiān)測或通信。這種飛行裝置可以攜帶有源電子載荷，從而可在一定范圍建立無電池無線設備。

植物種子有各種形狀和大小，其中一些可利用風力傳播，散播遺傳物質(zhì)擴大種群繁殖。這些種子形狀可分為四類：降落傘形，如蒲公英;滑翔機形，如翅葫蘆;直升機形，如梣葉槭和大葉楓;撲翼或飛旋形，如毛泡桐或臭椿。

受風力傳播種子的啟發(fā)，包括美國西北大學研究人員約翰·羅杰斯在內(nèi)的科學家們，此次設計了一系列飛行器，大小從微型(小于1毫米)到大型(大于1毫米)。他們使用模擬和風洞實驗，研究了改變設計參數(shù)(如飛行器直徑、結構和翼型)的空氣動力學影響。在直升機型和飛旋形種子中，旋轉行為加強了這些裝置的穩(wěn)定性和飛行行為。這些設計可以集成簡單電子器件，其中一例包含有一個檢測空氣顆粒物的電路。

研究團隊表示，這類在空氣中具有良好滯空性的、以風為動力的被動驅動微飛行器，可以成功地在飛行器上集成電子電路功能模塊，從而實現(xiàn)空氣污染物監(jiān)測等功能。該類微飛行器在空氣中還具有非常緩慢的下落速度——約0.28m/s，只有雪花平均下落速度的1/8左右，而且微飛行器的旋轉下落模式為其提供了較好的飛行穩(wěn)定性。除此之外，它還可以像植物種子一樣廣泛播撒，有望成為物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點，構建具有空間深度與時間廣度的低成本實時監(jiān)測系統(tǒng)，助力未來疫情監(jiān)測與病毒防控。

同時發(fā)表的新聞與觀點文章中，美國康奈爾大學科學家E·法里爾·赫爾博靈寫道：“這些裝置可以構成動態(tài)傳感器網(wǎng)絡，用于環(huán)境監(jiān)測、無線通信節(jié)點，或基于互聯(lián)網(wǎng)連接設備網(wǎng)絡即物聯(lián)網(wǎng)的各種技術”。赫爾博靈補充說，需要做進一步工作，以理解飛行器在風中會有怎樣的行為，以及其他設計(降落傘形和滑翔機形飛行器)表現(xiàn)如何，但她認為目前的成果為增進飛行器能力鋪平了道路。

總編輯圈點

某些植物種子迎風而起、隨風而落，簡單的模式其實歷經(jīng)千萬年的自然選擇演化——能在無主動驅動力的情況下“與風同行”幾公里甚至更遠的距離，其中包含著特殊的幾何結構與精妙的力學設計。借由這種原理，工程師們獲得了微飛行器滯空能力提升的靈感，即利用三維結構保持穩(wěn)定性。這種精確的力學分析，能讓微電子器件在飛行和下落中都不會損壞，保證了其未來集成電子系統(tǒng)在空中工作的能力。(科技日報記者張夢然)