全球最小飛行結構 只有筆芯大小，靈感來自楓樹種子

這有史以來最小的人造飛行結構誕生，由十幾支中外團隊聯合攻關。

它甚至比筆芯還小，能像種子一樣在空中自旋和落下。

微型飛行器包含兩部分：電子功能部件和機翼，所有零件都是從微米到毫米級大小。

當它在空中下落時，翅膀會和空氣相互作用，借此就能做出緩慢、且穩定的旋轉運動。

相關論文成為當期Nature的封面論文，題目為《受風傳種子啟發的三維電子微型飛行器》題。

微型飛行器

微型飛行器比筆芯還小

“我們認為我們打敗了自然”

詩人顧城說過：“草在結它的種子，風在搖它的葉子，我們站著不說話，就十分美好?！蔽鲙煷蟀娴谒膬哉n文《騎“白馬”的蒼耳》有言：“蒲公英的種子，是撐著小傘，由風婆婆送來的?！?/p>

在藝術作品中，種子特別是會飛的種子，始終是浪漫意象的存在。如今，種子竟然啟發了一篇Nature封面論文。

論文封面

清華大學航天航空學院工程力學系長聘教授張一慧表示，此次論文之所以登上封面，是因為能把搭載微電子器件的飛行器做這么小，且能在空中停留較長時間，還能用于環境監測或其他信息檢測。另外，科學本身也有一定藝術性，而該設備的藝術美感十分難得。

只有筆芯大小的分散型微型飛行器，卻擁有監測空氣污染、空氣傳播疾病和環境污染等諸多本領，最重要的是它會飛。

之前的大多數電子飛行器的驅動方式都是主動型，這類微型飛行器由于機械部件和設計較為復雜，在小型化方面一定的局限性。尤其是要在小型化的同時提供飛行所消耗的巨大能量是十分困難的。

而該設備并不需要發動機驅動，而是依靠自然風的吹動來進行飛行。

就像楓樹的種子一樣在空中飛翔，當它從空中降到地面上時，它也會像直升機一樣，不斷自旋之后即可平緩落地。

正是通過對楓樹種子等依靠風力去接種等植物種子的研究，該團隊從空氣動力學方面，對微型飛行器進行了優化，從而確保它從高空降落時，能以受控的低速降落。

控制降落速度不僅能保證飛行更穩定，還能讓它在空中飛行的范圍可以更廣闊，借此也能增加它和空氣相互作用的時間，從而讓它更好地監測空氣污染和空氣傳播疾病。

微型飛行器身上配有各種超小型化技術，包括傳感器、電源、無線通信天線和存儲數據的嵌入式存儲器等。

美國四院院士、美國西北大學材料科學與工程系教授約翰·A·羅杰斯擔任論文共同通訊作者，他也是該研究的主要領導者之一，其告訴媒體該研究的主要目標是讓小型電子系統具備有翼飛行的功能，從而讓它分散到更遠的地方，去執行環境感知、污染監測、人口監測或疾病跟蹤等功能。

而此次研究之所以能成功，是因為受到了生物界的啟發。在數十億年的自然界歷史中，大自然用非常復雜的空氣動力學設計了種子。該研究也借鑒了這些設計理念，并應用于微型飛行器的電子電路中。

楓葉的螺旋槳狀種子，在空中旋轉之后，就會緩慢平穩地降落地面，這正是大自然提高植物存活率的一個例子。正因此，原本無法自行移動的楓葉種子能傳播得更廣，楓樹后代也能繁殖到更遠的地方。

也正因此，自然界中許多種子才展現出復雜而巧妙的空氣動力學特性。而在本次微型飛行器的設計過程中，該團隊研究了多類植物種子的空氣動力學特征，并從星果藤這一植物中找到了最直接的靈感。

星果藤是一種有著星形種子的開花藤蔓植物，它的種子擁有葉片形狀的翅膀，可以在風中慢慢地隨風旋轉。

在設備的開發設計過程中，一開始該團隊設計并制造了多款微型飛行器，其中包括一款與星果藤種子十分相似的帶有三個翅膀的飛行器。

為了確定最理想的結構，他們進行了全尺寸計算的模型設計，通過模擬周圍空氣流動，最終從微型飛行器身上模擬出三星果藤種子的緩慢可控的旋轉。

接下來要進行制備，研究人員使用先進成像和定量流動模式的方法，在實驗室中建造并測試了微型飛行器的結構。

在張一慧教授、美國西北大學黃永剛院士領導設計出的飛行器結構模型的基礎上，羅杰斯院士帶領的團隊隨后進一步開展了與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械工程副教授萊昂納多·查莫羅之間的合作，在合作中，他們使用先進成像和定量流動模式的方法，在實驗室中建造并測試了結構。

采用芯片式設計

為了制造這些設備，該團隊從另一個熟悉的新奇事物中獲得了靈感，很多兒童都曾讀過的彈出式立體書籍。

制備中，研究人員首先在在平板中造出飛行結構的前驅體。然后，再將這些前體粘在已被稍微拉伸的橡膠基板上。

當原本被拉伸的基底出現松弛時，經過事先控的屈曲過程就會發生，這時機翼便會“彈出”，被精確定義的三維形狀即可形成。

這是一種從2D平面結構中制造3D結構的巧妙策略，此前曾在2015年登上《科學》雜志的封面。由于現有半導體設備都是基于平面結構制造的，因此他們可利用消費電子行業正使用的先進材料和制造方法，來對設備進行芯片式的設計。然后，再根據類似于彈出式書籍的原理，就能把它們轉換成3D飛行器的形狀。

此外，他們還將電子元件的重心，放在設備的較低位置，從而避免因失去控制而墜落到地面。

經過以上步驟，終于誕生出可以各種大小和形狀的結構，有些結構的性質甚至能和自然種子媲美。

羅杰斯院士認為從某種程度上講，該團隊戰勝了自然。至少從狹義上，他們設計并制造出的微型飛行器，比植物或樹木種子具備更加穩定的軌跡、以及更慢的下落速度，體積上也比很多自然界的種子要小，甚至沒有沙粒大。而設備小型化正是電子行業的主導發展軌跡。

可用于環境監測和水質監測等

有了微型飛行器，再加上傳感器、存儲器、可收集環境能量的電源、和一根數據線，即可組裝成空氣微粒檢測設備。

其實，就是讓它和與互聯網結合，投撒到山區和田野中，就能監測環境污染。

而給它搭載上pH傳感器，還可用于監測水質。另外，搭載上光電探測器，則可用于測量不同波長的陽光照射。

當前，很多監測技術在實踐中，都必須使用大型設備。該團隊設想，如果從飛機或建筑上投下并廣泛分散這類設備，就能讓它執化學品泄漏后的環境修復監測，還可在不同高度的空氣中跟蹤污染水平。

鑒于微型飛行器“超迷你”體積，那么就能高密度、大范圍地分布，從而實現無線網絡一般的檢測。

與此同時，該團隊也考慮到了可能存在的電子垃圾問題，在廢棄設備回收方面，他們已開發出一種瞬態電子器件，它能在 “壽終正寢” 后，以無害的方式在水中溶解。

目前該器件以應用于生物可吸收起搏器，效果也得到了驗證。目前，他們正使用同樣的材料——可降解聚合物、可堆肥導體和可溶解集成電路芯片來制造微型飛行器。

未來，一旦它不小心落入水中，就能自動溶解，實現真正的“事了拂衣去”。

張一慧表示，清華團隊在微型電子飛行器工作中的貢獻主要有三方面，其一是受風傳種子啟發的仿生結構設計；其二是飛行器結構三維組裝的逆向設計與力學分析；其三是飛行器結構自旋下落的流場模擬和穩定性分析。