Как раз тогда, когда вы думаете, что системы сбора микроданных не могут стать еще меньше, появляется крылатый микрочип, который, как утверждается, является самой маленькой когда-либо созданной человеком летательной структурой, и у него на борту есть мощная электроника.
Команда из нескольких университетов под руководством Северо-Западного университета разработала и испытала микролетательный аппарат, у которого нет мотора или двигателя. Вместо этого он летит на ветру — как пропеллерное семя клена — и вращается, как вертолет, по воздуху к земле, в то время как крылья создают подъемную силу.
Команда оптимизировала аэродинамику микрофлаера, чтобы при падении с большой высоты он плавал и падал с малой скоростью контролируемым образом. Такое поведение стабилизирует его полет, обеспечивая рассредоточение по обширной территории и увеличивая время, в течение которого он взаимодействует с воздухом, что делает микрофлаер пригодным для мониторинга загрязнения воздуха и болезней, передающихся воздушно-капельным путем.
«Наша цель состояла в том, чтобы добавить крылатый полет к небольшим электронным системам, с идеей, что эти возможности позволят нам распространять высокофункциональные миниатюрные электронные устройства для определения состояния окружающей среды для мониторинга загрязнения, наблюдения за населением или отслеживания заболеваний», — сказал Джон из Northwestern. А. Роджерс, руководивший разработкой устройства. «Мы смогли сделать это, используя идеи, вдохновленные биологическим миром».
Структура микрофлаера
Микрофлаеры состоят из двух частей: электронных компонентов миллиметрового размера и их крыльев. Команда проанализировала и построила различные конструкции крыла в 2D и 3D, поскольку ни одна конструкция не является оптимальной для всех условий. Одна очень удачная конструкция крыла диаметром четыре сантиметра весила 14,6 миллиграммов (мг) и выдерживала полезную нагрузку почти 75 мг (рис. 1) .
1. Вдохновленный природой (слева), микрофлаер имеет тщательно очерченные крылья и блок электроники для измерения качества воздуха с питанием от NFC (справа).
1. Вдохновленный природой (слева), микрофлаер имеет тщательно очерченные крылья и блок электроники для измерения качества воздуха с питанием от NFC (справа).
Когда микрофлаер падает, его крылья взаимодействуют с воздухом, создавая медленное стабильное вращательное движение. Вес электроники распределен низко по центру микрофлаера, чтобы предотвратить потерю контроля и хаотичное падение на землю.
Хотя большая часть работы была сосредоточена на микрофлаерах, механическая конструкция — это гораздо больше, чем простое многокрылое устройство, которое дрейфует и вращается, неся крошечную бортовую электронику. Они исследовали варианты конструкции и оптимизировали размер, форму и кривизну крыла. Команда также изучила методы построения для микромасштабных (микрофлайеры с половинной шириной крыльев менее 1 мм), мезомасштабных (мезофлайеры с половинной шириной около 1 мм) и макромасштабных единиц (макрофлайеры с половинной шириной более 1 мм).
Запуская многие из этих микрофлаеров и других летательных аппаратов с подходящей электроникой, можно контролировать условия окружающего воздуха над определенной территорией, если говорить об одном приложении. На рис. 2 представлено множество точек зрения на проект.
2. Обзор аспектов проекта: (a,b) Схематическая иллюстрация (a) и оптические микрофотографии (b) 2D-предшественников для 3D-электронных мезопланов с кремниевыми наномембранными (NM) nMOS-транзисторами и диодами в качестве полезной нагрузки. (c) Фотография 3 × 3 массива трехмерных электронных мезофлаеров с этими полезными нагрузками. (d) 3D-профиль поверхности 3D-мезофлаера. e) результаты механического моделирования и фотография 3D-макрослета IoT со схемой измерения загрязнения мелкой пылью методом световой дозиметрии. (f) Энергия, накопленная суперконденсатором, в зависимости от времени воздействия в присутствии трех типов мелкодисперсной пыли. Высокоскоростные измерения скорости потока изображений частиц (PIV) для макрофлаеров 3D IoT (d = 2 см) с различными диаметрами и скоростями воздуха. (g) Поле мгновенной скорости.
2. Обзор аспектов проекта: (a,b) Схематическая иллюстрация (a) и оптические микрофотографии (b) 2D-предшественников для 3D-электронных мезопланов с кремниевыми наномембранными (NM) nMOS-транзисторами и диодами в качестве полезной нагрузки. (c) Фотография массива трехмерных электронных мезофлаеров 3 × 3 с этими полезными нагрузками. (d) 3D-профиль поверхности 3D-мезофлаера. e) результаты механического моделирования и фотография 3D-макрослета IoT со схемой измерения загрязнения мелкой пылью методом световой дозиметрии. (f) Энергия, накопленная суперконденсатором, в зависимости от времени воздействия в присутствии трех типов мелкодисперсной пыли. Высокоскоростные измерения скорости потока изображений частиц (PIV) для макрофлаеров 3D IoT (d = 2 см) с различными диаметрами и скоростями воздуха. (g) Поле мгновенной скорости. (h) Поле средней скорости с нормализованными профилями скорости по размаху в точке 1.
Применение дозиметра
Хотя возможны многие комплекты бортовой электроники, одним из них, над созданием которого они приложили значительные усилия, был безбатарейный трехканальный дозиметр для мониторинга мелкодисперсной пыли (рис. 3 и 4) .
3. (a) 3D-макрослет IoT и его беспроводной интерфейс к дрону. (b) Обзорная схема безбатарейного трехканального дозиметра для мониторинга мелкодисперсной пыли с 3D-микрофлаером и его беспроводным интерфейсом.
3. (a) 3D-макрослет IoT и его беспроводной интерфейс к дрону. (b) Обзорная схема безбатарейного трехканального дозиметра для мониторинга мелкодисперсной пыли с 3D-микрофлаером и его беспроводным интерфейсом.
ОТ НАШИХ ПАРТНЕРОВ
Основы цифровых потенциометров и их использования
Основы автомобильных схем драйверов светодиодов
4. Размещение электронных компонентов и металлических коннекторов для флаера.
4. Размещение электронных компонентов и металлических коннекторов для флаера.
При воздействии света фотодиод непрерывно генерирует фототок, а суперконденсатор пассивно накапливает накопленный заряд. Напряжение смещения суперконденсатора считывается аналого-цифровым преобразователем и пропорционально общей «дозе» воздействия. Возможна одновременная дозиметрия на трех различных длинах волн за счет выбора фотодиода.
Встроенная система связи ближнего радиуса действия (NFC) обеспечивает беспроводную передачу данных и питание без батареи. А активируемый по беспроводной связи контакт ввода-вывода общего назначения (GPIO) подает 1,5 В на затвор МОП-переключателя, чтобы вызвать разряд разряда суперконденсатора. (Они даже предоставляют полную спецификацию с названием поставщика, описанием детали и номером.)
Несколько дизайнов микрофлаеров
Роджерс и его команда спроектировали и построили множество различных типов микролетателей, в том числе тот, который описан с тремя крыльями, оптимизированными для таких же форм и углов, как крылья на семени тристеллатеи . Чтобы определить наилучшую структуру, они разработали и использовали полномасштабные вычислительные модели того, как воздух обтекает их устройства, чтобы имитировать медленное контролируемое вращение семени тристеллатеи .
«Компьютерное моделирование позволяет быстро оптимизировать конструкцию летательных аппаратов, что обеспечивает наименьшую конечную скорость», — сказал Хуанг. «Это невозможно с экспериментами методом проб и ошибок».
Основываясь на этом моделировании, группа Роджерса затем построила и протестировала структуры в лаборатории, используя передовые методы визуализации и количественной оценки закономерностей потока. Его команда впервые изготовила прототипы летающих конструкций плоской геометрической формы. Затем они прикрепили эти прекурсоры к слегка растянутой резиновой подложке. Когда растянутая подложка расслабляется, происходит контролируемый процесс коробления, в результате которого крылья «всплывают» в точно определенные трехмерные формы.
А как насчет потенциального мусора от сотен или тысяч этих микролетателей, запущенных и дрейфующих повсюду? Проект также предвидел это.
«Мы производим такие физически переходные электронные системы, используя разлагаемые полимеры, компостируемые проводники и растворимые микросхемы интегральных схем, которые естественным образом превращаются в экологически безопасные конечные продукты при воздействии воды», — сказал Роджерс. «Мы понимаем, что восстановление больших коллекций микрофлаеров может быть затруднено. Чтобы решить эту проблему, эти рассасывающиеся в окружающей среде версии растворяются естественным и безвредным образом».
Помимо Северо-Западного университета, другие исследователи в этом проекте были из Университета Иллинойса, Университета Цинхуа в Китае, Университета Сунсиль в Корее и Университета науки и технологий в Китае, а также из более чем дюжины других учреждений.
Работа подробно описана в реферате и статье с самым большим числом соавторов, которое я когда-либо видел (34!) « Трехмерные электронные микрофлайеры, вдохновленные рассеянными ветром семенами », опубликованными в Nature . Хотя эта публикация защищена платным доступом, статья также доступна в виде препринта здесь . На странице тезисов (но не в препринте) есть активные ссылки на семь видео и расширенные данные о результатах тестирования.
Наконец, есть 43-страничный файл с дополнительной информацией , который включает обширный анализ, выполненный для проекта по многим параметрам: механика жидкости, механическое моделирование, изготовление, испытания, включая компоновку «аэродинамической трубы», и многое другое.