Летящи микрочипове следят замърсяването на въздуха

Като най-малките летящи конструкции, създавани досега от човека, тези микроплани също така могат да бъдат снабдени с ултра миниатюрни технологии, включително сензори, източници на захранване, антени за безжична комуникация и вградена памет за съхранение на данни.

"Нашата цел беше да добавим възможности за летене към малки електронни системи с идеята, че тези възможности ще ни позволят да разпространяваме високо функционални, миниатюрни електронни устройства и да ги използваме за мониторинг на замърсяването, наблюдение на населението или проследяване на болести", казва Джон А. Роджърс от Northwestern, който ръководи проекта. "Успяхме да направим това, използвайки идеи, вдъхновени от биологичния свят. В продължение на милиарди години природата е проектирала семена с много сложна аеродинамика. Ние взаимствахме тези концепции за дизайн, адаптирахме ги и ги приложихме към електронни схеми."

Пионер в биоелектрониката, Роджърс е професор по материалознание и инженерни науки, биомедицина и неврологична хирургия в McCormick School of Engineering и Feinberg School of Medicine и директор на Querrey Simpson Institute for Bioelectronics.

Да хванеш вятъра

Повечето хора са виждали как семената на някои дървета се носят леко във въздуха и кацат бавно на тротоара. Това е само един пример за това как природата е развила умни, сложни методи за оцеляването на различни растения. За целта трябва да се гарантира, че семената са разпръснати на голяма територия, тъй като по този начин растенията и дървета могат да се разпространяват на огромни разстояния и да залесят широки области.

"Еволюцията вероятно е била движещата сила, която стои зад сложните аеродинамични свойства, проявявани от много класове семена", казва Роджърс. "Тези биологични структури са проектирани да падат бавно и по контролиран начин, така че да могат да взаимодействат с моделите на вятъра за възможно най-дълъг период от време. Тази функция увеличава максимално страничното разпределение чрез чисто пасивни въздушни механизми."

За да проектира микролетите, екипът проучва аеродинамиката на редица семена от растения, черпейки вдъхновение конкретно от растението тристелатея - цъфтяща лоза със звездовидни семена. Семената на растението имат заострени "крила", които улавят вятъра и им помагат да пада с бавно, въртеливо движение.

"Смятаме, че побеждаваме природата"

Роджърс и неговият екип са проектирали и изградили много различни видове микроплани, включително един с три крила, оптимизирани с подобни форми и ъгли като "крилата" на семето на тристелатеята. За да определи най-идеалната структура, неговият колега Йонган Хуан провежда пълномащабно компютърно моделиране на това как въздухът се движи около устройството, за да може то да имитира бавното, контролирано въртене на семената на тристелатеята.

"Компютърното моделиране позволява бърза оптимизация на дизайна на летящите структури, която дава най-ниската крайна скорост", казва Хуан. "Това е невъзможно с експерименти на принципа "проба-грешка."

Въз основа на това моделиране групата на Роджърс след това изгражда и тества структури в лабораторията, използвайки усъвършенствани методи за изобразяване и количествено определяне в сътрудничество с Леонардо Чаморо, доцент по машинно инженерство в University of Illinois.

Получените структури могат да се оформят в голямо разнообразие от размери и форми, някои със свойства, които могат да съперничат дори на тези, дело на природата.

"Смятаме, че побеждаваме природата", казва Роджърс. "Поне в тесния смисъл, че успяхме да изградим структури, които падат с по-стабилни траектории и с по-бавни крайни скорости от сравними с тях семена на растения или дървета. Също така успяхме да изградим тези летящи конструкции с размери, много по-малки от тези, създадени от природата. Това е важно, защото миниатюризацията на устройствата представлява доминираща траектория на развитие в електронната индустрия, където сензори, радиостанции, батерии и други компоненти могат да бъдат конструирани във все по-малки размери."

От растения до 3D книги

За производството на устройствата екипът на Роджърс черпи вдъхновение от друго съществуващо нещо - детска 3D книга.

Екипът му първо изработва прототипите на летящите микрочипове с равнинна геометрия, след което ги поставя върху леко опъната гумена основа. Когато разтегнатият субстрат се отпусне, възниква контролиран процес на извиване, който прави така, че крилата да "изскачат" в точно определени триизмерни форми.

"Тази стратегия за изграждане на 3D структури от 2D прекурсори е много важна, тъй като всички съществуващи полупроводникови устройства имат равнинно оформление", обяснява Роджърс. "По този начин можем да използваме най-модерните материали и производствени методи в индустрията за потребителска електроника, за да направим напълно стандартни, плоски, подобни на чипове дизайни. След това просто ги трансформираме в 3D летящи форми, базирайки се на принципи, подобни на тези при 3D книгите."

Технология, пълна с обещания

Микропланерите се състоят от две части - електронни функционални компоненти с милиметрови размери и техните крила. Докато микрочипът пада във въздуха, крилата му взаимодействат с него, за да осигурят бавно, стабилно въртеливо движение. Центърът на тежестта на електрониката е разпределен ниско в средата на микролетката, за да се предотврати загубата на контрол и хаотичното падане.

В тестовия вариант екипът на Роджърс вгражда в устройството сензори, източник на захранване, памет и антена, която може да прехвърля безжично данни към смартфон, таблет или компютър. Групата оборудва едно устройство с всички тези елементи и го използва за откриване на различни частици във въздуха. По време на друг тест учените включват pH сензори, които могат да се използват за наблюдение на качеството на водата, и фотодетектори за измерване слънчевите вълни. Според Роджърс микролетите могат да бъдат спуснати и разпръснати на голяма територия от самолет или сграда и да бъдат използвани за наблюдение на усилията за възстановяване на околната среда след разлив на химикали или за проследяване на нивата на замърсяване на въздуха на различни височини например.

Роджърс има решение и по отношение на електронни отпадъци. Неговата лаборатория вече разработва електроника, която може безвредно да се разтваря във вода, след като изпълни предназначението си. Екипът дори вече е разработил биорезорбируеми пейсмейкъри. Сега неговият екип използва същите материали - които с времето се разграждат в подпочвените води - за изграждане на микролетите.