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《自然》封面:史上最小的飞行器诞生,比蚂蚁还小

乐鱼体育APP下载 动态 2021-07-20 20:14

春天结束的时候,枫树开始释放长有翅膀的种子,这些种子从树枝上飞舞下来,轻轻地落在地面上。通过这种风媒种子,原本定居的植物可以实现远距离繁殖,在广阔的地区扩散开来。这种会随风漂浮的植物种子给了工程师很大的启发,他们仿照着制作出有史以来最小的靠风力传播的机器,称之为“微型飞行器”。

当微型飞行器从空中释放后,飞翼与空气摩擦,使整体缓慢而稳定地旋转起来,就像风媒种子一样缓缓降落。芯片位于微型飞行器中心较低的位置,以防止飞行器在风中失控,凌乱地滚落到地面。

它们小到可以像种子一样随风漂浮,不过其空间仍足以装载微型芯片。芯片上装有传感器和无线发射器,可以收集周围环境的信息,并将数据发送给科学家。

并将数据绘制成地图。罗杰斯和同事们最近在《自然》杂志发表的一篇论文描述了这种机器。

降落伞形,如蒲公英的种子;滑翔机形,如翅葫芦(Alsomitra macrocarpa)的种子;扑翼或飞旋形(flutterers/spinner),如毛泡桐(Paulownia tomentosa)和臭椿(Ailanthus altissima)的种子;直升机桨形,如梣叶槭(Acer negundo),以及三星果属(Tristellateia)的几种木质藤本植物的种子。

为了确定最理想的结构,罗杰斯的团队用计算机模拟出这些结构周围的气流特征,并找到伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的机械工程副教授莱昂纳多·查莫罗(Leonardo Chamorro)进行合作,在风洞实验室中测试了这些微小飞行器,他们使用先进的成像技术将飞行器周围的瞬时流量场可视化并定量测量。

我们建造出的飞行器也比风媒种子要小得多,这一点很重要,因为设备小型化是电子行业的发展方向,工程师致力于将传感器、无线电、电池和其他组件以更小尺寸制造出来。”

但这些生产方法主要生产平面结构,而微型飞行器的结构是三维的。为了解决这个问题,罗杰斯团队从儿童立体书中获取了灵感。他们先制作出二维飞翼,然后将它们粘在一层叫做弹性体(elastomer)的可伸缩材料上。

然后通过可伸缩材料的拉伸就能转换为三维飞翼结构。整个过程就像打开一本儿童立体书那样。”

“这种飞行器的测量结果可靠吗?”他问道,“在监测环境方面,它们比会我们现在做得更好吗?现在还不清楚。”

随后,一架无人机将从投放地点上空飞过,拍摄该地区的高分辨率图像。根据飞行器的变色情况,研究人员就能绘制该地区的污染物浓度图。

在收集和传输有关着陆区域的数据后,坠落的飞行器会分解成粘性物质,然后雨水被冲走。这对环境更友好,对研究人员也更方便。如罗杰斯所言:“我们可不想在监测结束后,还要把这些设备一个一个收集回来。”

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