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大量分布的小型化無(wú)線電子設(shè)備，可能構(gòu)成了未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)、人口監(jiān)測(cè)、疾病管理和其他需要覆蓋廣闊空間尺度的應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為這些網(wǎng)絡(luò)組件制定可行的飛行方案勢(shì)在必行。

在此，來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納分校的Leonardo P. Chamorro &清華大學(xué)的張一慧&美國(guó)西北大學(xué)的黃永剛& John A. Rogers等研究者，受風(fēng)傳播種子的啟發(fā)，研究了可用于在自然環(huán)境或城市環(huán)境中受控、無(wú)動(dòng)力飛行的被動(dòng)結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”于2021年09月22日發(fā)表在Nature上。

植物是通過(guò)各種各樣的被動(dòng)策略，來(lái)傳播它們的種子的，每一種策略都是自然選擇持續(xù)過(guò)程的結(jié)果。植物學(xué)家根據(jù)傳播媒介，對(duì)這些方法進(jìn)行分類，主要類型有重力、機(jī)械推進(jìn)、風(fēng)、水和動(dòng)物等。其中，風(fēng)是功率最大、應(yīng)用最廣泛的一種。種子的3D形狀經(jīng)過(guò)優(yōu)化，利用這種環(huán)境下的空氣流動(dòng)，可以在可控的自由落體中支持穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)，并/或促進(jìn)數(shù)百公里的運(yùn)輸距離。雖然蒲公英種子和周圍空氣之間的某些相互作用已經(jīng)為人所知，但其他種類的風(fēng)傳播種子，如Tristellateia(木本藤本植物)的種子，媒介飛行的流體物理學(xué)，還沒有很好地理解，也沒有為微系統(tǒng)技術(shù)的傳播而探索它們。

就像植物利用種子和被動(dòng)機(jī)制，以傳播遺傳物質(zhì)來(lái)繁殖物種一樣，通過(guò)使用類似的方法來(lái)分發(fā)微型電子傳感器、無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)、能源收集組件和/或各種物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)，作為監(jiān)視器來(lái)跟蹤環(huán)境過(guò)程，可能會(huì)帶來(lái)有趣的機(jī)遇，如，可作為指導(dǎo)補(bǔ)救工作的輔助手段，或作為支持分布式監(jiān)測(cè)的組成部分。

風(fēng)傳播的種子采用的幾何圖形，可以解釋為一個(gè)由重力和固定生命形式控制的物理問(wèn)題的進(jìn)化解決方案，在被動(dòng)自由落體過(guò)程中優(yōu)化動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和/或運(yùn)輸距離。由氣流引起的運(yùn)動(dòng)特性定義了四大類種子：(i)爪哇黃瓜(Alsomitra macrocarpa)的滑翔機(jī)；(ii)直升飛機(jī)，例如接骨木(美洲槭)、大葉楓樹(大葉槭)、澳大槭(澳大槭)；(iii)蒲公英(Taraxacum officinale)和西洋沙棘(Tragopogon dubius)的傘兵；以及(iv)如皇后樹(泡桐)、天堂樹(Ailanthus altissima)和藍(lán)花楹(jacaranda mimosifolia)(圖1a,b)的羽翼/飛旋。這些設(shè)計(jì)，為優(yōu)化功能性有效載荷的空中分散的人造被動(dòng)飛行器結(jié)構(gòu)，提供了靈感。

在此，研究者展示了一系列三維宏、中、微尺度飛行器，包括那些包含有源電子和比色有效載荷的飛行器?？傮w尺寸跨越微尺度(機(jī)翼半寬<1毫米；微型飛行器)、中尺度(半寬約1毫米；介觀飛行器)和宏觀尺度(半寬>1 mm；宏觀飛行器)，具有集成材料元素和設(shè)備的能力，同時(shí)，具有擴(kuò)展到納米范圍的關(guān)鍵特征尺寸。圖1b比較了具有代表性的3D微飛片的尺寸和幾何形狀與精心設(shè)計(jì)的各種種子的尺寸和幾何形狀。

這類高性能結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)分析、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，共同建立了一套仿生設(shè)計(jì)的基本考慮，重點(diǎn)是展示受控旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)和低終端速度的3D飛行器。一種方法將這些復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)表示為離散的葉片數(shù)量，以簡(jiǎn)單的、解析的縮放形式捕捉基本物理，并通過(guò)了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。

清華大學(xué)，再發(fā)Nature：像風(fēng)一樣自由

圖1. 受風(fēng)傳播種子啟發(fā)的3D微型飛行器

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圖2. 對(duì)具有代表性的三維微、中、宏觀飛行器進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)理論分析和數(shù)值模擬。

圖3. 代表性三維飛行器流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

圖4. 三維比色飛行器、飛行器的電子結(jié)構(gòu)及IoT宏觀飛行器

綜上所述，這里介紹的生物靈感的想法和中尺度3D飛行器的工程基礎(chǔ)，建立了一套不同尋常的空中分散能力的先進(jìn)設(shè)備技術(shù)。主要的發(fā)現(xiàn)如下：(i)可以設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的仿生3D結(jié)構(gòu)，使其在自由落體引起的尾跡中產(chǎn)生巨大的動(dòng)量虧損，從而促進(jìn)高阻力和低終端速度；(ii)某些3D設(shè)計(jì)可誘發(fā)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，消除與撲撲和翻滾等混沌墜落行為有關(guān)的不穩(wěn)定性；(iii)與(i)和(ii)有關(guān)的物理適用于尺寸在毫米范圍內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)，即使在Stokes范圍附近或范圍內(nèi)的情況下也是如此；(iv)將復(fù)雜的三維構(gòu)型，簡(jiǎn)化為離散的傾斜葉片的分析方法，可以捕捉基本的物理特性，包括不同Re下的幾何和環(huán)境參數(shù)對(duì)氣動(dòng)的依賴關(guān)系。

文獻(xiàn)信息

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

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y

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