讓芯片飛起來

嚴毅梅

會飛的芯片

芯片可以飛起來嗎？

美國西北大學的研究人員正在為此而努力。他們研制的電子微芯片只有一粒沙子的大小，本身沒有飛行動力系統，但是它可以像楓樹種子那樣旋轉著飄落，儼然是一架小小的直升機。研究人員是通過研究楓樹和其他類型的風散種子，優化了這種微芯片的空氣動力學結構，確保它能以一種可控的方式緩慢下降。這種緩慢降落的方式既能穩定它的飛行方向，又能延遲它在空中的停留時間。這讓它非常有希望擔負起監測空氣污染情況和監測空氣傳播疾病源頭的重要使命。

作為有史以來最小的飛行器，它還可以搭載包括傳感器、電源、無線通信天線，以及存儲數據的嵌入式存儲器等在內的多種設備。

研究人員說：“我們的目標是為這種小規模的電子系統增加飛翼，讓它們具有飛行能力，這樣就可以監測環境污染、監測人口或監控病情。我們的靈感來自于生物世界的種子，它們在數十億年的過程中，進化出了復雜的空氣動力學結構。我們借用了這些特殊結構，將其應用于電子電路平臺。”

飛行器結構可與自然媲美

楓樹種子在空中旋轉著輕輕落在人行道上，很多人都目睹過這樣的情景。這只是一個例子，說明大自然進化出了巧妙、復雜的方法來提高各種植物的存活率，確保種子廣泛傳播，原本定居的植物可以“遠走他鄉，安家落戶”。它們進化出利用復雜空氣動力學特性的結構，可謂造化天成。研究人員說：“這些生物結構被設計成以一種可控的方式緩慢下降，憑借這種方式它們可以盡量延長與風相互作用的時間，以便飛得更遠更久。”

為了設計這種微型飛行器，美國西北大學的研究小組探究了許多植物種子的空氣動力學結構，最直接的靈感來自于三星藤，這是一種有星形種子的開花藤蔓植物。星形種子有葉片狀的“翅膀”，可以隨風慢慢旋轉。

為了確定最理想的結構，研究人員設計了全尺寸的計算模型，又模擬周圍的空氣流動，并模擬三星藤種子緩慢、可控地旋轉。他們還利用先進的成像和定量流動模式方法，在實驗室中建構并測試了各種大小和形狀的結構。這些結構的性質甚至能跟自然界種子結構的性質媲美。

微芯片前景廣闊

微芯片由兩部分組成：毫米大小的電子元件和機翼。當微芯片下落時，翅膀跟空氣相互作用從而形成一個緩慢而穩定的旋轉運動。電子元件的重心則位于微芯片中心的較低位置，這樣能防止它失去控制而墜落。

在演示的例子中，研究團隊使用的設備包括傳感器、可以收集環境能量的電源、存儲器，以及可以將數據無線傳輸到智能手機、平板電腦或臺式電腦上的天線。在實驗室里，研究團隊用這些電子元件組裝成一個設備，用它檢測空氣中的微粒。在另一個研究中，他們使用了pH傳感器來監測水質，并使用光電探測器來測量不同波長的陽光照射。研究人員設想，借助飛機或從高層建筑上大量投放這些設備，將能大范圍監測化學品泄漏后的環境修復工作，或跟蹤監測大氣層不同高度的污染水平。

可消解的微芯片

微芯片產生的電子垃圾怎么處理？

對此，研究人員已經在實驗室開發出了瞬態電子元件，這些電子元件可以無害地溶解在水中。現在，研究團隊正在使用相同的材料和技術來建造微芯片，它們能隨著時間的推移在地下水中自然降解和消失，且不會對環境造成污染。

研究人員說：“我們使用可降解的聚合物、可堆肥的導體和可溶解的集成電子芯片來制造這種瞬態電子系統，暴露在水中時它們會自然消失，成為對環境無害的最終產品。”

將來，隨風飄搖的種子里，可能有一片就是執行任務的、會飛的電子微芯片。