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受种子启发的飞行微装置问世,可用于环境监测、无线通信节点及物联网|总编辑圈点

发布日期:2021-09-24  来源:中国科技网-科技日报  


一个装有测量空气颗粒物污染水平电路的3D飞行器。图片来源:西北大学

科技日报记者 张梦然

英国《自然》杂志近日发表一项工程学突破,包括美国西北大学科学家在内的研究团队研发了一种飞行装置,其受到风力传播的植物种子启发,未来可应用于环境监测或通信。这种飞行装置可以携带有源电子载荷,从而可在一定范围建立无电池无线设备。

植物种子有各种形状和大小,其中一些可利用风力传播,散播遗传物质扩大种群繁殖。这些种子形状可分为四类:降落伞形,如蒲公英;滑翔机形,如翅葫芦;直升机形,如梣叶槭和大叶枫;扑翼或飞旋形,如毛泡桐或臭椿。

受风力传播种子的启发,包括美国西北大学研究人员约翰·罗杰斯在内的科学家们,此次设计了一系列飞行器,大小从微型(小于1毫米)到大型(大于1毫米)。他们使用模拟和风洞实验,研究了改变设计参数(如飞行器直径、结构和翼型)的空气动力学影响。在直升机型和飞旋形种子中,旋转行为加强了这些装置的稳定性和飞行行为。这些设计可以集成简单电子器件,其中一例包含有一个检测空气颗粒物的电路。

研究团队表示,这类在空气中具有良好滞空性的、以风为动力的被动驱动微飞行器,可以成功地在飞行器上集成电子电路功能模块,从而实现空气污染物监测等功能。该类微飞行器在空气中还具有非常缓慢的下落速度——约0.28m/s,只有雪花平均下落速度的1/8左右,而且微飞行器的旋转下落模式为其提供了较好的飞行稳定性。除此之外,它还可以像植物种子一样广泛播撒,有望成为物联网的节点,构建具有空间深度与时间广度的低成本实时监测系统,助力未来疫情监测与病毒防控。

同时发表的新闻与观点文章中,美国康奈尔大学科学家E·法里尔·赫尔博灵写道:“这些装置可以构成动态传感器网络,用于环境监测、无线通信节点,或基于互联网连接设备网络即物联网的各种技术”。赫尔博灵补充说,需要做进一步工作,以理解飞行器在风中会有怎样的行为,以及其他设计(降落伞形和滑翔机形飞行器)表现如何,但她认为目前的成果为增进飞行器能力铺平了道路。

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某些植物种子迎风而起、随风而落,简单的模式其实历经千万年的自然选择演化——能在无主动驱动力的情况下“与风同行”几公里甚至更远的距离,其中包含着特殊的几何结构与精妙的力学设计。借由这种原理,工程师们获得了微飞行器滞空能力提升的灵感,即利用三维结构保持稳定性。这种精确的力学分析,能让微电子器件在飞行和下落中都不会损坏,保证了其未来集成电子系统在空中工作的能力。

责任编辑: 左常睿
 
 
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