微型飞行器与蚂蚁的大小对比（图片来源：Northwestern University）
很多人都看过枫叶的种子从空中旋转着降落到地面上，这种会随风漂浮的植物种子给了工程师很大的启发。他们模仿着制造出飞翼结构，添加到微芯片上，由此制造出了有史以来最小的飞行器，只有沙粒大小。这么小的会飞的微芯片可以用来做什么呢？研究人员开了个巨大的脑洞……
编译 | 白德凡审校 | 王昱
春天结束的时候，枫树开始释放长有翅膀的种子，这些种子从树枝上飞舞下来，轻轻地落在地面上。通过这种风媒种子，原本定居的植物可以实现远距离繁殖，在广阔的地区扩散开来。这种会随风漂浮的植物种子给了工程师很大的启发，他们仿照着制作出有史以来最小的靠风力传播的机器，称之为“微型飞行器”。
微型飞行器由两部分组成：毫米尺寸的芯片以及飞翼。当微型飞行器从空中释放后，飞翼与空气摩擦，使整体缓慢而稳定地旋转起来，就像风媒种子一样缓缓降落。芯片位于微型飞行器中心较低的位置，以防止飞行器在风中失控，凌乱地滚落到地面。
这些微型飞行器中最大的型号大约有两毫米长，和果蝇的大小差不多；最小的型号则只有前者的四分之一大小。它们小到可以像种子一样随风漂浮，不过其空间仍足以装载微型芯片。芯片上装有传感器和无线发射器，可以收集周围环境的信息，并将数据发送给科学家。
美国西北大学的物理化学家约翰·罗杰斯（John Rogers）说，将成群的微型飞行器从空中撒落，它们会乘风飘散到广阔的地区，然后科学家就可以将它们组成传感器网络来监测环境污染、疾病传播、生物危害等情况，并将数据绘制成地图。罗杰斯和同事们最近在《自然》杂志发表的一篇论文描述了这种机器。
风媒种子的启发
根据降落时周围气流的运动特征，研究人员把风媒种子的形状分成了四类：降落伞形，如蒲公英的种子；滑翔机形，如翅葫芦（Alsomitra macrocarpa）的种子；扑翼或飞旋形（flutterers/spinner），如毛泡桐（Paulownia tomentosa）和臭椿（Ailanthus altissima）的种子；直升机桨形，如梣叶槭（Acer negundo），以及三星果属（Tristellateia）的几种木质藤本植物的种子。
研究人员参考这些种子的形状，设计出多种飞翼结构。其中一种飞翼有三个翅膀，优化后的形状和翅膀间的角度与三星果种子的情况相似。为了确定最理想的结构，罗杰斯的团队用计算机模拟出这些结构周围的气流特征，并找到伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的机械工程副教授莱昂纳多·查莫罗（Leonardo Chamorro）进行合作，在风洞实验室中测试了这些微小飞行器，他们使用先进的成像技术将飞行器周围的瞬时流量场可视化并定量测量。
一种型号的微型飞行器（右）的降落方式与三星果种子（左）相似（图片来源：Northwestern University）
“我们认为我们战胜了自然。”罗杰斯说，“至少从狭义上讲，我们建造出的微型飞行器，比类似结构的风媒种子拥有更稳定的轨迹和更慢的落地速度。我们建造出的飞行器也比风媒种子要小得多，这一点很重要，因为设备小型化是电子行业的发展方向，工程师致力于将传感器、无线电、电池和其他组件以更小尺寸制造出来。”
儿童立体书的启发
为了用这些微型飞行器监测大范围的区域，罗杰斯和他的同事们必须提高产量。如果能够利用现有的设备和工艺来制造集成电路，这项任务就会容易得多。但这些生产方法主要生产平面结构，而微型飞行器的结构是三维的。为了解决这个问题，罗杰斯团队从儿童立体书中获取了灵感。他们先制作出二维飞翼，然后将它们粘在一层叫做弹性体（elastomer）的可伸缩材料上。当这种材料放松时，它就会收缩，把飞翼拉扯成最终的三维结构。
二维的飞翼被弹性体拉扯成三维结构（图片来源：Northwestern University）
“这种从二维前体开始构建三维结构的策略非常强大，因为所有现有的半导体器件都是在平面布局中构建的。”罗杰斯说，“通过这种方式，我们可以利用消费电子行业使用的最先进的材料和制造方法来制作标准的类似芯片的扁平结构，然后通过可伸缩材料的拉伸就能转换为三维飞翼结构。整个过程就像打开一本儿童立体书那样。”
新奇的环境监测方法
加拿大麦吉尔大学的环境流行病学家斯科特·韦辰塔尔（Scott Weichenthal）没有参与微型飞行器研究。他评价说，尽管这些设备很新颖，但它们是否真的有助于环境监测活动仍是个未知数。“这种飞行器的测量结果可靠吗？”他问道，“在监测环境方面，它们比会我们现在做得更好吗？现在还不清楚。”
罗杰斯承认，微型飞行器现阶段只是一个概念验证。但他和他的团队计划很快将进行实地测试。他们的目标是空投数千个微型飞行器，这些设备会根据其降落地点的铅、镉或汞含量改变颜色。随后，一架无人机将从投放地点上空飞过，拍摄该地区的高分辨率图像。根据飞行器的变色情况，研究人员就能绘制该地区的污染物浓度图。
当然，将使用过的微型机器丢弃在自然环境中似乎不太环保。为了避免对当地生态系统造成破坏，罗杰斯和他的同事用环保的聚合物、导体和电路芯片制作了微型飞行器，这些材料会随时间降解。在收集和传输有关着陆区域的数据后，坠落的飞行器会分解成粘性物质，然后雨水被冲走。这对环境更友好，对研究人员也更方便。如罗杰斯所言：“我们可不想在监测结束后，还要把这些设备一个一个收集回来。”
参考来源：
https://www.eurekalert.org/news-releases/928741
https://www.scientificamerican.com/article/winged-microchips-glide-like-tree-seeds/
