Northwestern University
Z razpršenimi mikroletalniki velikosti peščenega zrna bi lahko spremljali onesnaženost zraka, bolezni, ki se prenašajo po zraku, in onesnaženost okolja.
Novi leteči mikročip (ali » mikroletalnik«), ki je velik približno toliko kot zrno peska, nima motorja ali pogona. Namesto tega se v zraku ob vetru – podobno kot seme javorjevega propelerja – vrti kot helikopter in se kot helikopter premika po zraku proti tlom. S preučevanjem javorjevih in drugih vrst semen, ki jih širi veter, so inženirji optimizirali aerodinamiko mikroletalnika, da bi zagotovili, da bi – ko je odvržen na veliki višini – padalo z majhno hitrostjo in na nadzorovan način. Takšno obnašanje stabilizira njegov let, zagotavlja razpršitev na velikem območju in podaljša čas interakcije z zrakom, zaradi česar je idealen za spremljanje onesnaženosti zraka in bolezni, ki se prenašajo po zraku. Kot najmanjše leteče strukture, ki jih je doslej izdelal človek, so lahko ti mikroletalniki opremljeni tudi z izjemno miniaturno tehnologijo, vključno s senzorji, viri energije, antenami za brezžično komunikacijo in vgrajenim pomnilnikom za shranjevanje podatkov.
Raziskava je predstavljena na naslovnici revije Nature, ki je izšla 23. septembra. »Naš cilj je bil majhnim elektronskim sistemom dodati krila z idejo, da bi nam te zmogljivosti omogočile distribucijo zelo funkcionalnih, miniaturnih elektronskih naprav za zaznavanje okolja za spremljanje onesnaženosti, nadzor prebivalstva ali sledenje boleznim,« je povedal John A. Rogers z univerze Northwestern, ki je vodil razvoj te naprave. »To nam je uspelo doseči z idejami, ki jih je navdihnil biološki svet. V milijardah let je narava oblikovala semena z zelo izpopolnjeno aerodinamiko. Izposodili smo si te oblikovalske koncepte, jih prilagodili in uporabili na platformah elektronskih vezij.« Rogers je pionir na področju bioelektronike, profesor znanosti o materialih in inženirstva, biomedicinskega inženirstva in nevrološke kirurgije na šoli McCormick School of Engineering in Feinberg School of Medicine ter direktor inštituta Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Yonggang Huang, profesor strojništva Jan in Marcia Achenbach v McCormicku, je vodil teoretično delo študije.
Lovljenje sapice
Večina ljudi je že kdaj opazovala, kako se javorjev list vrtinčasto zavrti v zraku in nežno pristane na pločniku. To je le en primer, kako je narava razvila pametne in prefinjene metode za povečanje preživetja različnih rastlin. Z zagotavljanjem širokega širjenja semen se lahko rastline in drevesa, ki se sicer zadržujejo na tleh, razmnožujejo na velike razdalje in tako poseljujejo obsežna območja. Pri oblikovanju mikroletalnikov je ekipa Northwestern preučevala aerodinamiko semen številnih rastlin, najbolj neposreden navdih pa je črpala pri rastlini tristelateia, cvetoči trti z zvezdnatimi semeni. Semena tristelateje imajo krila z rezili, ki lovijo veter in padajo s počasnim vrtenjem.
»Računalniško modeliranje omogoča hitro optimizacijo strukture letenja, ki omogoča najmanjšo končno hitrost,« je dejal Huang. »To je nemogoče doseči s poskusi po metodi poskusov in napak.« Na podlagi tega modeliranja je Rogersova skupina nato zgradila in preizkusila strukture v laboratoriju ter v sodelovanju z Leonardom Chamorrom, izrednim profesorjem strojništva na Univerzi Illinois v Urbani-Champaignu, uporabila napredne metode za slikanje in količinsko opredelitev vzorcev pretoka. »Mislimo, da smo premagali naravo,« je dejal Rogers. »Vsaj v ožjem smislu, da nam je uspelo zgraditi strukture, ki padajo z bolj stabilnimi trajektorijami in počasnejšimi končnimi hitrostmi kot enakovredna semena rastlin ali dreves. Prav tako nam je uspelo zgraditi te helikoptersko leteče strukture v velikosti, ki je veliko manjša od tistih, ki jih najdemo v naravi. To je pomembno, ker miniaturizacija naprav predstavlja prevladujočo razvojno pot v elektronski industriji, kjer je mogoče senzorje, radijske postaje, baterije in druge komponente izdelati v vedno manjših dimenzijah.«
Mikroletalnike sestavljata dva dela: elektronske funkcionalne komponente milimetrske velikosti in njihova krila. Ko mikroletalnik pada po zraku, njegova krila v interakciji z zrakom ustvarjajo počasno in stabilno vrtilno gibanje. Teža elektronike je razporejena nizko na sredini mikroletalnika, da ne bi izgubilo nadzora in kaotično padlo na tla. Rogersova ekipa je v predstavljene primere vključila senzorje, vir energije, ki lahko zbira energijo iz okolice, pomnilnik in anteno, ki lahko brezžično prenaša podatke v pametni telefon, tablični računalnik ali računalnik. V laboratoriju je Rogersova skupina eno napravo opremila z vsemi temi elementi za zaznavanje delcev v zraku. V drugem primeru so v napravo vgradili pH senzorje, ki se lahko uporabljajo za spremljanje kakovosti vode, in fotodetektorje za merjenje izpostavljenosti soncu pri različnih valovnih dolžinah. »Večina tehnologij spremljanja vključuje obsežne instrumente, namenjene lokalnemu zbiranju podatkov na majhnem številu lokacij na določenem prostorskem območju,« je dejal Rogers. »Predvidevamo veliko število miniaturnih senzorjev, ki jih je mogoče z veliko prostorsko gostoto razporediti po velikih območjih in tako oblikovati brezžično omrežje.«
Kaj pa vse elektronske smeti? Rogers ima za to načrt. Njegov laboratorij že razvija prehodno elektroniko, ki se lahko neškodljivo raztopi v vodi, ko je ne potrebujemo več – kot je bilo dokazano pri nedavnem delu na bioraztapljajočih srčnih spodbujevalnikih. Zdaj njegova ekipa uporablja iste materiale in tehnike za izdelavo mikroletalnikov, ki se sčasoma naravno razgradijo in izginejo v podtalnici. »Takšne fizično prehodne elektronske sisteme izdelujemo z uporabo razgradljivih polimerov, vodnikov, ki jih je mogoče kompostirati, in čipov integriranih vezij, ki ob stiku z vodo naravno izginejo v okolju prijazne končne izdelke,« je dejal Roger. »Zavedamo se, da bi lahko bilo težko obnoviti velike zbirke mikroletalnikov. Da bi se spopadli s to skrbjo, se te okoljsko razgradljive različice naravno in neškodljivo raztopijo.« Študijo z naslovom »Tridimenzionalni elektronski mikroletalniki po navdihu semen, razpršenih z vetrom« je podprl Inštitut Querrey Simpson za bioelektroniko na univerzi Northwestern. Poleg Rogersa in Huanga sta bila soavtorja še Leonardo Chamorro z Univerze Illinois in Yihui Zhang z Univerze Tsinghua na Kitajskem. Prvi avtorji članka so Bong Hoon Kim z univerze Soongsil v Koreji, Kan Li z univerze Huazhong University of Science and Technology na Kitajskem ter Jin-Tae Kim in Yoonseok Park, oba iz Rogersovega laboratorija na Northwesternu.
Povzeto po:
https://bit.ly/3EACdl2
Slike: Mikroletalnik
Vir: https://news.northwestern.edu/
