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微型三维电子飞行器“与风同行”

2022-08-27 21:10:23 7301

摘要:微型三维电子飞行器与沙粒差不多大来自种子的启发长期以来,人类对飞行器的研究一直集中在主动式飞行器上,例如4轴无人机、受昆虫或鸟类启发的各种飞行器平台。这类飞行器通常使用扑翼、旋翼或喷气的主动驱动方式提供飞行的动力,具有在环境中自主、独立运动...

微型三维电子飞行器与沙粒差不多大

来自种子的启发

长期以来,人类对飞行器的研究一直集中在主动式飞行器上,例如4轴无人机、受昆虫或鸟类启发的各种飞行器平台。这类飞行器通常使用扑翼、旋翼或喷气的主动驱动方式提供飞行的动力,具有在环境中自主、独立运动的优势。然而,主动驱动方式需要较大的能量供给,难以实现长时间滞空和远距离巡航。主动式飞行器需要高度专业化的平台和手工技师组装,成本太高,无法大规模应用。主动驱动的组件结构往往较为复杂,工作时会不可避免地产生噪音,不易隐蔽,致使应用受限。主动式飞行器小型化难度极大,一旦缩小尺寸,会因动力供应不足无法在现实环境中应用。

植物通过多种被动策略来传播种子,根据传播的载体可将传播方式分为重力、机械推进,风、水和动物传播。其中一些植物的播种方式非常独特和新颖,其种子凭借特殊的几何结构和精妙的力学设计,能在无主动驱动力的情况下被动地随风和气流飞行,在自由落体过程中增加其终端速度和空气阻力来提高其动态稳定性,增加飞行距离,去更远的地方散播遗传物质,扩大种群。这类种子的质量一般都非常轻,如山杨的种子5万粒总重才4克,天鹅绒兰的种子50万粒才1克重。它们的形状可分为降落伞形(如蒲公英)、滑翔机形(如翅葫芦)、直升机形(如梣叶槭和大叶枫)和扑翼或飞旋形(如毛泡桐或臭椿),由于具有非常好的空气动力学结构,能迎风而起,随风而落,飞得很远。

微型三维电子飞行器放在普通蚂蚁旁边显示的比例

研究表明,利用被动机制帮助种子四处散播,是植物数十亿年进化而来的结果。百合和郁金香的种子呈薄片状,在风的吹拂下可以像滑翔机似的在空中翱翔。生长在我国南方的植物木蝴蝶,种子的三面有“翅膀”,成熟后从裂开的果实中飞出来,仿佛一群蝴蝶在空中翩翩起舞。蒲公英的种子又轻又小,顶端长有一圈白绒毛,成熟后经风一吹漫天飞舞,宛如一朵朵“降落伞”飘向远方,在合适的环境下,不费油、不耗电,去数百千米外扎根生长。星果藤的种子在空中旋转飘落,利用自身的三维结构,保持下落姿态的稳定性,实现长时间滞空。

由美国西北大学的物理化学家约翰·罗杰斯教授领衔的联合研究团队,全面研究自然界中植物种子的各种传播技术,从蒲公英的“降落伞”到爪哇黄瓜使用的“滑翔机”,再到槐树种子的“翅膀”和“旋转器”,他们对多种植物种子的空气动力学特征进行了比较。其中,枫树或木本藤蔓散布的会旋转的“直升机形”的种子引起了他们极大的兴趣,这些种子从树端飘落,通过在风中旋转最大限度地延长滞空时间,能在被动驱动的情况下飞行几千米甚至更远的距离,堪称大自然的“杰作”。

最终,研究人员从三星果属植物中获得了最直接的灵感,这种藤本植物的星形种子上有类似“翅膀”的叶片,具有良好的空气动力学结构,可以随着风缓慢旋转飘浮。有一种微型飞行器,就是以三星果属植物种子为模板的微型三维电子飞行器,每个只有500微米(0.5毫米)长。

微型三维电子飞行器由电子功能部件和机翼两部分组成

勇于创新攻难关

研究团队清楚地意识到,研制微型三维电子飞行器必须闯过两关,才能达成预期的目标。其中,第一关是理论阶段。首先,必须弄清楚自然界依靠风力传播的种子是如何利用自身结构尽可能地延长滞空飞行时间并实现稳定下落的。科学家们首先分析了自然界中那些靠风来散播的种子的形状,其中的关键是抓住复杂自然现象的主要矛盾,抽象为基本的科学问题。无论是植物种子还是微型三维电子飞行器,滞空能力是确保它们在空气中长时间自由飞行的关键,终端速度是衡量滞空能力的重要指标。物体在空气中达到匀速下落状态时,空气对物体的阻力与物体自身重力等值。而该阻力通常与下落速度和迎风面积相关,因此尽可能增大迎风面积对降低物体的终端速度至关重要。可以想象,将材料像纸张一样展开,使其纸面方向保持水平,能降低其最终速度。然而,這种二维结构在实际下落过程中难以保持水平,极易发生翻转、颤动等。实验结果显示,相对二维结构而言,三维旋落飞行器会在尾端形成较大的尾流,并且在竖直方向具有更大的速度扰动。

研究人员用计算机模拟了与这些种子形状相似但几何结构略有不同的物体周围的气流,通过流体力学数值计算下落过程,并建立了相应的理论模型,系统地揭示了旋落过程的运动机理。工程师们成功预测了不同结构的终端速度,与数值模拟和下落实验结果相吻合。此外,耦合空气作用力的旋转动力稳定性模型为此类飞行器的旋转下落稳定性提供了理论基础。工程师通过粒子图像测速法,获得了三维飞行器旋落状态下高精度的流场图,进一步深入地解析其运动特性,改进多种设计,直到微型三维电子飞行器下降得比植物种子更稳定、更缓慢。

对此,约翰·罗杰斯教授介绍道:“‘麻雀虽小,五脏俱全’,微型三维电子飞行器由机翼和电子功能部件两部分组成。电子功能部件包括传感器、电源、无线通信天线和存储数据的嵌入式存储器等,所有零件都是微米到毫米级大小。其中,传感器收集设备周围环境的信息,无线通信天线向科学家发送这些数据。微型三维电子飞行器不用马达,以风为动力,像种子一样飘飞。它们下落的速度缓慢(约0.28米/秒),只有雪花平均下落速度的八分之一左右,有较好的飞行稳定性。”

第二关是实践阶段。研究人员将理论预测设计的三维构型制造出来,并在几毫米的尺度上集成微电子器件。在实验中,研究团队搭建了一种技术框架,用以生产微型(小于1 毫米)、毫米级和宏观(大于1毫米)的微型三维电子飞行器。研究团队使用模拟和风洞实验,研究了改变设计参数(如飞行器直径、结构和翼型)的空气动力学影响。在直升机形和飞旋形种子中,旋转行为加强了这些装置的稳定性和飞行行为。

为了低成本、高效率地构建微型电子飞行器的三维结构,科学家们从弹出式立体书籍中获得灵感。他们首先制作出二维飞翼,然后将它们有选择地粘贴在一层叫作“弹性体”的可伸缩材料上。这种材料收缩时,会把飞翼拉扯成最终的三维结构。

经过以上步骤,研究人员终于研制出各种大小和形状的结构,有些甚至能与自然界的种子媲美。

电子功能部件包括传感器、电源、无线通信天线和存储数据的嵌入式存储器等

广阔的应用前景

微型三维电子飞行器以风为动力,在空气中具有良好的滞空性。如果加上传感器、存储器、可收集环境能量的电源和一根数据线,即可组装成空气微粒检测设备。而给它们搭载上 pH 传感器,能用于监测水质。搭载上光电探测器,则可用于测量不同波长的阳光照射。目前,很多监测技术在实践中都必须使用大型设备。而微型电子飞行器则可以像植物种子一样从飞机或建筑物上大量投放,借助风力散布到广阔区域,有望成为未来飞行器“物联网”的节点,构建具有超高空间深度与时间广度的低成本实时监测系统。沙粒般的微型电子飞行器随风飘荡,能够在不同高度的空气中跟踪污染水平,监测那些同样靠气流传播的细菌、病毒、病原体和气溶胶等,标记流行病的早期预警信号,助力未来疫情监测与病毒防控。

微型三维电子飞行器的研制成功,为整合复杂的集成电路以提高飞行能力铺平了道路。但它尚处在一个概念验证的阶段,需要进行实地测试。研究人员的目标是空投数千个微型飞行器,这些设备会根据其降落地点的铅、镉或汞含量改变颜色。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,研究人员就能绘制出该地区的污染物浓度图。

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