到目前為止，對飛行器的研究主要集中在主動系統上，包括四軸飛行器和受昆蟲或鳥類啟發的機器人平臺。主動系統的優勢在于能夠在其環境中獨立移動。然而，由于較大平臺（例如翼展約為 50 厘米的四軸飛行器）的尺寸和安全問題，它們的實際應用受到限制。而在較小平臺（翼展約為 3.5 cm）的情況下，卻缺乏能夠在現實世界中實現自主運動的機載電子設備和電源。此外，由于這些研究平臺高度專業化并且是手工組裝的，因此它們不能用于集體系統的研究。
植物使用被動機制——例如通過風傳播種子——來幫助傳播它們的遺傳信息。風散的種子具有特定的幾何形狀，通過在自由落體過程中降低其終端速度和增加空氣阻力來提高其動態穩定性和運輸距離。這種幾何形狀大致分為四類：降落傘、滑翔機、直升機和撲翼機（也稱為旋轉器）。風的傳播可以將種子運送數百公里。這些被動分散機制可以作為動態傳感器網絡的機械模擬，其中高空間范圍和低功耗是關鍵特征。
于此，美國西北大學John A. Rogers院士、黃永剛院士、清華大學張一慧和伊利諾伊大學Leonardo P. Chamorro等人報道了一種三維電子微型飛行器，其靈感來自于某些種子的被動直升機式風擴散機制。
所采用的生產工藝能夠快速并行制造許多飛片，并允許使用標準絕緣體上硅技術集成簡單的電子電路。調整設計參數（如直徑、孔隙率和機翼類型）可在設備和周圍空氣之間產生有益的相互作用。這種相互作用降低了飛片的末端速度，增加了空氣阻力，并通過誘導旋轉運動提高了穩定性。當與復雜的集成電路結合時，這些設備可以形成動態傳感器網絡，用于環境監測、無線通信節點或基于稱為物聯網的互聯網連接設備網絡的各種其他技術。
該課題組概述了一個框架，可以在微觀尺度（小于 1 mm）、毫米尺度和宏觀尺度（大于 1 mm）上生產飛片。在這個框架中，設備的 3D 形狀是使用平面制造工藝創建的——制造方法類似于半導體行業使用的制造方法。一層形狀記憶聚合物在特定位置與預應變彈性體結合。當應變釋放時，這些部位的相關屈曲導致材料折疊，形狀記憶效應將飛片固定為 3D 形狀。
圖|受風散種子啟發的 3D 微型飛行器
這些裝置的整體形狀、縱橫比以及空氣動力學表面的數量和形狀可以有所不同。重要的是，由于該框架使用平面制造和光刻（表面圖案化）技術，因此可以在單個組裝過程中制作數百個采用不同參數設計的飛片。這對于將構成物聯網一部分的設備的實際實現至關重要。
使用分析、計算和實驗技術，研究人員定義并量化了這些飛行器的潛在空氣動力學機制。作者探討了在自由落體過程中，尺寸、孔隙率、機翼數量和展弦比對裝置終端速度和穩定性的影響。他們發現，由于從平滑（層流）氣流過渡到湍流，尺度對終端速度的影響最大。多孔特性與降落傘狀種子的效果相似，降低了終端速度，但對微型飛行器的影響大于對宏觀飛行器的影響。相比之下，氣動表面的曲率和角度對宏觀飛行器的影響大于對微觀飛行器的影響。
圖|飛行器空氣動力學的理論分析和數值模擬
盡管這項工作主要側重于了解這些飛行器的空氣動力學機制，但研究人員也表明生產過程支持半導體制造的集成。作者構建了包含簡單半導體器件（晶體管和二極管）的飛行器，并發現這些器件的性能與使用傳統技術制造的器件一樣好。未來的研究可以研究復雜的集成電路是否可以直接集成到飛片中，以創建輕巧且可移動的微型傳感設備。目前，作者使用了一個宏觀飛行器（直徑為 5 cm），其中包含一個簡單的電路來檢測空氣中的粒子，實現了一種用于大氣測量的無電池無線設備。
圖| 3D 比色
本研究提供了對這些工程系統的基本理解，并提出了一些有待于未來研究解決的問題。需要對風如何影響飛行器的空氣動力學進行進一步分析，研究人員慮了幾個環境因素，但風仍需要詳細調查。此外，作者的研究結果集中在直升機式和旋轉式散布方法上，這使得降落傘式和滑翔式飛行器的設計有待于未來的研究，并提出了空間范圍、有效載荷等之間可能的權衡問題。
該工作還為集成復雜的集成電路以提高飛行器的能力鋪平了道路。自 1990 年代以來，研究人員一直在開發毫米級無線傳感系統。為這些設備提供一個平臺可以為未來的物聯網技術提供更好的空間范圍。
值得注意的是，黃永剛院士和John A. Rogers院士合作的十多年間，加上最新的這篇，已經聯合發表了16篇Nature、Science正刊了，其中Nature有6篇，Science達10篇之多。
參考文獻：
1. Kim, B.H., Li, K., Kim, JT. et al. Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds. Nature 597, 503–510 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y
2. Seed-inspired vehicles take flight. Nature 597, 480-481 (2021)
https://doi.org/10.1038/d41586-021-02490-x
