微型电子飞行器设计：源于自然的启示——风力驱动的微型飞行器设计揭秘
澎湃新闻 刘航报道
自然界中的种子依靠风力传播，拥有适应此种传播方式的独特结构。科学家们从这一自然现象中获得灵感，并成功开发出一种全新的微型飞行器——被动微飞行器。这种飞行器无需马达驱动，完全依靠风力，体积微小至低于一毫米，如同笔尖般小巧。
这种微型飞行器能够执时间的远程飞行任务，下落速度约为雪花平均下落速度的八分之一。更令人兴奋的是，它集成了微电子器件，能够用于监测空气污染物、城市传染病病原体的分布等环境数据。相关的研究成果被发表在国际著名学术期刊《Nature》上的一篇封面论文中，题为《自然风传种子启发的三维微电子飞行器》。论文共有众多作者，其中包括清华大学航天航空学院的张一慧教授等。
为何我们要研究这种被动式飞行器呢？传统的微飞行器多采用主动驱动方式，如扑翼、旋翼或喷气式驱动。但这种驱动方式需要大量的能量供给，难以实现长时间的滞空与远距离巡航。主动驱动组件的结构复杂，小型化难度极大，且会产生难以消除的噪音。张一慧教授表示：“我们的目标是利用自然的启示在小型电子系统中实现有翼飞行利用其收集周围环境数据。因为通过它我们能生产出感知环境的小型电子设备比如污染监测、人口监测或是疾病防控相关的设备等。”这将对未来环境监测和疾病防控工作产生深远影响。这项技术的成功研发也将为物联网的构建和发展带来前所未有的机遇和挑战。
这项研究的灵感来源于自然界中风传种子的启示。经过千百年的自然选择和演化风传种子拥有特殊的几何结构和力学设计能够在无主动驱动力的情况下随风自由飞行数公里甚至更远。风传种子的不同结构为微型飞行器的设计提供了灵感。这些结构模仿自然界中风传播的机制确保了微飞行器在无主动驱动下仍能在空中长时间自由飞行并进行数据收集的任务。为了更好地理解这种现象研究者们结合流体力学数值计算模拟了下落过程并建立了相应的理论模型同时采用高精度的流场图来验证理论预测的准确性。此外如何将二维设计转化为三维构型也是研究的重点之一研究者们通过合作研究实现了二维到三维构型的转变这一方法兼容当前的平面微电子加工工艺确保了微型飞行器的顺利研发和应用前景的广阔性。未来这一技术的潜在应用广泛具有重大意义不仅为我们的环境监测提供了有力的手段还将助力未来病毒防控工作的发展并推动物联网的构建和发展迈向新的阶段。这项研究的成功将开启全新的微型飞行器时代为我们带来前所未有的机遇和挑战。
