清华大学，再发Nature：像风一样自由

大量分布的小型化无线电子设备，可能构成了未来环境监测、人口监测、疾病管理和其他需要覆盖广阔空间尺度的应用系统的基础。因此，为这些网络组件制定可行的飞行方案势在必行。

在此，来自美国伊利诺伊大学厄巴纳分校的Leonardo P. Chamorro &清华大学的张一慧&美国西北大学的黄永刚& John A. Rogers等研究者，受风传播种子的启发，研究了可用于在自然环境或城市环境中受控、无动力飞行的被动结构。相关论文以题为“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”于2021年09月22日发表在Nature上。

植物是通过各种各样的被动策略，来传播它们的种子的，每一种策略都是自然选择持续过程的结果。植物学家根据传播媒介，对这些方法进行分类，主要类型有重力、机械推进、风、水和动物等。其中，风是功率最大、应用最广泛的一种。种子的3D形状经过优化，利用这种环境下的空气流动，可以在可控的自由落体中支持稳定的动力学，并/或促进数百公里的运输距离。虽然蒲公英种子和周围空气之间的某些相互作用已经为人所知，但其他种类的风传播种子，如Tristellateia(木本藤本植物)的种子，媒介飞行的流体物理学，还没有很好地理解，也没有为微系统技术的传播而探索它们。

就像植物利用种子和被动机制，以传播遗传物质来繁殖物种一样，通过使用类似的方法来分发微型电子传感器、无线通信节点、能源收集组件和/或各种物联网(IoT)技术，作为监视器来跟踪环境过程，可能会带来有趣的机遇，如，可作为指导补救工作的辅助手段，或作为支持分布式监测的组成部分。

风传播的种子采用的几何图形，可以解释为一个由重力和固定生命形式控制的物理问题的进化解决方案，在被动自由落体过程中优化动态稳定性和/或运输距离。由气流引起的运动特性定义了四大类种子：(i)爪哇黄瓜(Alsomitra macrocarpa)的滑翔机；(ii)直升飞机，例如接骨木(美洲槭)、大叶枫树(大叶槭)、澳大槭(澳大槭)；(iii)蒲公英(Taraxacum officinale)和西洋沙棘(Tragopogon dubius)的伞兵；以及(iv)如皇后树(泡桐)、天堂树(Ailanthus altissima)和蓝花楹(jacaranda mimosifolia)(图1a,b)的羽翼/飞旋。这些设计，为优化功能性有效载荷的空中分散的人造被动飞行器结构，提供了灵感。

在此，研究者展示了一系列三维宏、中、微尺度飞行器，包括那些包含有源电子和比色有效载荷的飞行器。总体尺寸跨越微尺度(机翼半宽<1毫米；微型飞行器)、中尺度(半宽约1毫米；介观飞行器)和宏观尺度(半宽>1 mm；宏观飞行器)，具有集成材料元素和设备的能力，同时，具有扩展到纳米范围的关键特征尺寸。图1b比较了具有代表性的3D微飞片的尺寸和几何形状与精心设计的各种种子的尺寸和几何形状。

这类高性能结构的空气动力学分析、计算和实验研究，共同建立了一套仿生设计的基本考虑，重点是展示受控旋转运动学和低终端速度的3D飞行器。一种方法将这些复杂的3D结构表示为离散的叶片数量，以简单的、解析的缩放形式捕捉基本物理，并通过了计算和实验结果的验证。

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图1. 受风传播种子启发的3D微型飞行器

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图2. 对具有代表性的三维微、中、宏观飞行器进行了空气动力学理论分析和数值模拟。

图3. 代表性三维飞行器流动特性的实验测量

图4. 三维比色飞行器、飞行器的电子结构及IoT宏观飞行器

综上所述，这里介绍的生物灵感的想法和中尺度3D飞行器的工程基础，建立了一套不同寻常的空中分散能力的先进设备技术。主要的发现如下：(i)可以设计和制造复杂的仿生3D结构，使其在自由落体引起的尾迹中产生巨大的动量亏损，从而促进高阻力和低终端速度；(ii)某些3D设计可诱发旋转运动，消除与扑扑和翻滚等混沌坠落行为有关的不稳定性；(iii)与(i)和(ii)有关的物理适用于尺寸在毫米范围内的三维结构，即使在Stokes范围附近或范围内的情况下也是如此；(iv)将复杂的三维构型，简化为离散的倾斜叶片的分析方法，可以捕捉基本的物理特性，包括不同Re下的几何和环境参数对气动的依赖关系。

文献信息

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

原文链接：

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

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