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大量分布的小型化無線電子設備，可能構成了未來環境監測、人口監測、疾病管理和其他需要覆蓋廣闊空間尺度的應用系統的基礎。因此，為這些網絡組件制定可行的飛行方案勢在必行。

在此，來自美國伊利諾伊大學厄巴納分校的Leonardo P. Chamorro &清華大學的張一慧&美國西北大學的黃永剛& John A. Rogers等研究者，受風傳播種子的啟發，研究了可用于在自然環境或城市環境中受控、無動力飛行的被動結構。相關論文以題為“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”于2021年09月22日發表在Nature上。

植物是通過各種各樣的被動策略，來傳播它們的種子的，每一種策略都是自然選擇持續過程的結果。植物學家根據傳播媒介，對這些方法進行分類，主要類型有重力、機械推進、風、水和動物等。其中，風是功率最大、應用最廣泛的一種。種子的3D形狀經過優化，利用這種環境下的空氣流動，可以在可控的自由落體中支持穩定的動力學，并/或促進數百公里的運輸距離。雖然蒲公英種子和周圍空氣之間的某些相互作用已經為人所知，但其他種類的風傳播種子，如Tristellateia(木本藤本植物)的種子，媒介飛行的流體物理學，還沒有很好地理解，也沒有為微系統技術的傳播而探索它們。

就像植物利用種子和被動機制，以傳播遺傳物質來繁殖物種一樣，通過使用類似的方法來分發微型電子傳感器、無線通信節點、能源收集組件和/或各種物聯網(IoT)技術，作為監視器來跟蹤環境過程，可能會帶來有趣的機遇，如，可作為指導補救工作的輔助手段，或作為支持分布式監測的組成部分。

風傳播的種子采用的幾何圖形，可以解釋為一個由重力和固定生命形式控制的物理問題的進化解決方案，在被動自由落體過程中優化動態穩定性和/或運輸距離。由氣流引起的運動特性定義了四大類種子：(i)爪哇黃瓜(Alsomitra macrocarpa)的滑翔機；(ii)直升飛機，例如接骨木(美洲槭)、大葉楓樹(大葉槭)、澳大槭(澳大槭)；(iii)蒲公英(Taraxacum officinale)和西洋沙棘(Tragopogon dubius)的傘兵；以及(iv)如皇后樹(泡桐)、天堂樹(Ailanthus altissima)和藍花楹(jacaranda mimosifolia)(圖1a,b)的羽翼/飛旋。這些設計，為優化功能性有效載荷的空中分散的人造被動飛行器結構，提供了靈感。

在此，研究者展示了一系列三維宏、中、微尺度飛行器，包括那些包含有源電子和比色有效載荷的飛行器。總體尺寸跨越微尺度(機翼半寬<1毫米；微型飛行器)、中尺度(半寬約1毫米；介觀飛行器)和宏觀尺度(半寬>1 mm；宏觀飛行器)，具有集成材料元素和設備的能力，同時，具有擴展到納米范圍的關鍵特征尺寸。圖1b比較了具有代表性的3D微飛片的尺寸和幾何形狀與精心設計的各種種子的尺寸和幾何形狀。

這類高性能結構的空氣動力學分析、計算和實驗研究，共同建立了一套仿生設計的基本考慮，重點是展示受控旋轉運動學和低終端速度的3D飛行器。一種方法將這些復雜的3D結構表示為離散的葉片數量，以簡單的、解析的縮放形式捕捉基本物理，并通過了計算和實驗結果的驗證。

清華大學，再發Nature：像風一樣自由

圖1. 受風傳播種子啟發的3D微型飛行器

清華大學，再發Nature：像風一樣自由

圖2. 對具有代表性的三維微、中、宏觀飛行器進行了空氣動力學理論分析和數值模擬。

圖3. 代表性三維飛行器流動特性的實驗測量

圖4. 三維比色飛行器、飛行器的電子結構及IoT宏觀飛行器

綜上所述，這里介紹的生物靈感的想法和中尺度3D飛行器的工程基礎，建立了一套不同尋常的空中分散能力的先進設備技術。主要的發現如下：(i)可以設計和制造復雜的仿生3D結構，使其在自由落體引起的尾跡中產生巨大的動量虧損，從而促進高阻力和低終端速度；(ii)某些3D設計可誘發旋轉運動，消除與撲撲和翻滾等混沌墜落行為有關的不穩定性；(iii)與(i)和(ii)有關的物理適用于尺寸在毫米范圍內的三維結構，即使在Stokes范圍附近或范圍內的情況下也是如此；(iv)將復雜的三維構型，簡化為離散的傾斜葉片的分析方法，可以捕捉基本的物理特性，包括不同Re下的幾何和環境參數對氣動的依賴關系。

文獻信息

Kim, B.H., Li, K., Kim, JT. et al. Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds. Nature 597, 503–510 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y

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