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澎湃新闻记者 刘航

风传种子具有适应风力传播的特殊结构。受其启发，来自中国、美国和韩国的联合研究团队设计了有史以来最小的电子飞行器——不用马达、以风为动力的被动微飞行器。它小到1毫米以下，差不多是铅笔尖的大小。

这种飞行器能实现长时间（其下落速度约为雪花平均下落速度的1/8）、远距离飞行。在飞行器中集成微电子器件，可用于监测空气污染物、城市传染病病原体分布等。

Nature封面

该研究近日以封面论文的形式发表在著名学术期刊《Nature》上，标题为《Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds》（风传种子启发的三维微电子飞行器）。

论文共有37位作者。清华大学航天航空学院张一慧教授、美国西北大学黄永刚院士、美国西北大学John A. Rogers院士和美国伊利诺伊大学香槟分校Leonardo Chamorro副教授为论文的共同通讯作者。韩国崇实大学助理教授Bong Hoon Kim、剑桥大学博士后厉侃、美国西北大学博士后Jin-Tae Kim和Yoon seok Park为论文的共同第一作者。

到目前为止，对飞行器的研究大多集中在主动式飞行器上，因为这类飞行器具有在环境中自主运动的优势。

那么，为什么要研究被动式飞行器？

“传统微飞行器通常使用扑翼、旋翼或喷气的主动驱动方式来提供飞行的动力，但此类主动驱动方式需要较大的能量供给，难以实现长时间滞空与远距离巡航。此外，主动驱动的组件结构往往较为复杂，小型化难度极大，且工作时会产生难以消除的噪音，这些特性使得主动驱动微飞行器难以实现小型化、隐蔽化。”张一慧向澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者解释道。

“我们的目标是在小型电子系统中添加有翼飞行，因为这些功能将使我们能够分发功能强大的小型电子设备来感知环境，以进行污染监测、人口监测或疾病跟踪。” John A. Rogers表示。

设计被动微飞行器的过程中，为什么会想到借鉴风传种子？

“风传种子历经千、万年的自然选择演化，其特殊的几何结构与精妙的力学设计可以使其在自身无主动驱动力的情况下被动地随风自由飞行几公里甚至更远的距离。风传植物种子的结构多种多样，例如蒲公英种子，它可以像降落伞一样在空气中缓慢降落；或者星果藤种子，可以像竹蜻蜓一样实现旋转下落的飞行模式；又或是大叶枫、梣叶槭、花楹、龙脑香种子等。” 张一慧表示。

植物通过各种各样的被动策略来传播种子，每一种策略都是不断自然选择的结果。根据种子的传播载体可将传播方式分为：重力、机械推进、风、水和动物传播。其中，风力传播的适用范围最广。

风传种子通常有四种形状：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。

这些结构为被动飞行器的结构设计提供灵感。研究人员注意到，被动扩散具有高空间范围和低能耗特征，通过类似方式来分布微型电子传感器、无线通信节点、能量收集组件和各种物联网可能带来有趣的机会。“一种典型的风传种子——星果藤种子为我们提供了实现稳定滞空下落的启发。这种植物种子，在空中旋转飘落，利用其自身三维结构，保持结构下落姿态的稳定性，实现结构的长时间滞空。”张一慧介绍道。

风传种子启发的三维微飞行器

他表示，将一个材料像纸张一样展开，使其纸面方向保持水平，可以降低其达到匀速下落状态下的最终速度。然而，实际下落过程中，这种二维结构难以保持水平，极易发生翻转、颤动等。

“风传种子的三维结构为这一难题提供了解决方案，通过利用三维结构保持结构的下落稳定性，可以实现结构的长时间滞空。三维结构的手性可使其在下落过程中绕自身中心轴旋转，这种旋转可进一步加强结构的稳定性。”

受风传种子的启发，研究团队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）。研究人员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。他们采用2015年合作提出的屈曲力学引导的三维组装方法，将二维前驱体结构选择地粘接在预拉伸基底，并通过释放预应变实现结构的压缩屈曲，进而完成二维到三维构型的转变。

三维微飞行器结构的引导屈曲组装过程 图片来源：清华大学官网

微型飞行器由两部分组成：电子功能部件、机翼。当微型飞行器在空中落下时，它的机翼与空气相互作用以产生缓慢、稳定的旋转运动。电子设备的重量分布在飞行器中心的较低位置，以防止飞行过程失控、翻滚到地面。

张一慧介绍称，以风传种子为灵感设计的这类具有良好滞空性、以风为动力的被动式微飞行器，可以在上面集成无线传输天线、微控制芯片以及多个紫外传感器。将其在高空释放后，能够在广阔空间内对空气污染物进行长时间实时监测等。

三维微飞行器结构及空气污染物检测演示 图片来源：清华大学官网

“由于其下落速度慢（约0.28m/s，只有雪花平均下落速度的1/8左右）、有较好的飞行稳定性，又能像植物种子一样广泛播撒的特性，使其有望成为未来飞行器‘物联网’的节点，构建具有超高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。”

提及此项研究的主要困难，张一慧指出两点：第一，理解自然界风传种子如何利用自身结构尽可能地增加滞空飞行时间，并实现稳定下落，第二，将理论预测设计的三维构型制造出来，并在几毫米到几厘米的尺度上集成微电子器件。

对于第一点，张一慧表示，“抓住复杂自然现象的主要矛盾，抽象为基本的科学问题，是其中的难点和关键。无论是自然界的种子或我们设计的微飞行器，滞空能力是其可以在空气中长时间自由飞行的关键，其终端速度（达到匀速下落状态下的最终速度）是衡量滞空能力的重要指标。物体在空气中达到匀速下落状态时，空气对物体的阻力与物体自身重力等值。而该阻力通常与下落速度、迎风面积正相关，因此尽可能的增大迎风面积是降低终端速度的关键。”

“为了深入理解和分析这一现象，我们通过流体力学数值计算模拟了这一下落过程，并建立了相应的理论模型，系统地揭示了旋落过程的运动机理，并成功预测了不同结构的终端速度，与数值模拟、下落实验结果吻合良好。此外，耦合空气作用力的旋转动力稳定性模型为此类飞行器的旋转下落稳定性提供了理论基础，为此类微飞行器设计提供了指导方案。同时，我们的合作者通过粒子图像测速法（PIV），获得了三维飞行器旋落状态下高精度的流场图，印证了我们的理论预测。”

对于第二点，张一慧表示，“我们采用了与黄永刚、John Rogers课题组在2015年合作提出的屈曲力学引导的三维自组装方案（Science 2015, 347: 154-159；封面文章），将二维前驱体结构有选择地粘接在预拉伸的弹性基底上，通过释放基底的预应变实现前驱体结构的压缩屈曲，完成二维到三维构型的转变。更重要的是，这种2D到3D的成型方法，兼容当前的平面微电子加工工艺。我们利用有限元模拟展示了这一复杂电子系统的组装过程，并通过精确的力学分析保证了微电子器件在变形与下落过程中不会损坏。”

责任编辑：李跃群

校对：丁晓