Le microflier 3D repose à côté d’un ish commun pour montrer l’échelle. Pointage de crédit : Université Northwestern
Les dimensions d’un grain associé au sable, des microflyers dispersés pourraient surveiller la pollution de l’environnement, les maladies aéroportées et la contamination de l’environnement.
Université du nord-ouest Les ingénieurs ont en plus une nouvelle capacité aux puces numériques : le vol.
De la taille d’un grain de sable fin, la nouvelle micropuce volante (ou “microflier”) n’a pas de moteur ni même de moteur. Au lieu de cela, cela prend son envol au vent – semblable à la graine d’hélice d’un érable – et tourne comme un hélicoptère à travers les environs vers le sol.
En étudiant les noyers et d’autres formes de graines dispersées par le vent, les ingénieurs particuliers ont optimisé l’aérodynamique du microflier particulier pour s’assurer qu’il – chaque fois qu’il tombe à une altitude plus élevée – tombe à une vitesse lente de manière contrôlée. Ce comportement équilibre son vol, garantit une dispersion sur une large zone et augmente son temps d’interaction avec l’air, ce qui le rend idéal pour la surveillance des pollutions et des maladies aéroportées.
Gros plan du microflier 3D, équipé d’une antenne bobine et de détecteurs UV. Crédit : Université ou collège Northwestern
Étant les plus petites structures de voyage créées par l’homme, ces microfliers peuvent également être remplis d’une technologie ultra-miniaturisée, qui comprend des capteurs, des ressources d’alimentation, des antennes pour la communication Wi-Fi et une mémoire incrustée pour acheter des données.
L’étude est présentée sur la couverture du 23 septembre 2021, préoccupation de La nature .
“Notre objectif était d’ajouter un voyage ailé aux systèmes numériques à petite échelle, avec le concept que ces capacités nous permettront d’envoyer des appareils électroniques hautement fonctionnels et miniaturisés pour ressentir l’environnement pour la surveillance des contaminants, la sécurité de la population ou la surveillance des maladies”, a déclaré John A. Rogers de Northwestern, qui a dirigé le développement de l’appareil. « Nous pourrions le faire en utilisant des suggestions inspirées du monde naturel. Au cours de nombreuses années, la nature fournit des graines conçues ainsi que des règles aérodynamiques très sophistiquées. Nous avons emprunté des concepts de conception à des individus, les avons modifiés et les avons utilisés pour des plates-formes électroniques de routine. ”
Pionnier de la bioélectronique, Rogers est le professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de technologie et d’ingénierie des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie nerveuse à la McCormick School of Anatomist et à la Feinberg School associée à la médecine et au réalisateur de l’Institut Querrey Simpson pour la bioélectronique. Yonggang Huang, le professeur Jan et Marcia Achenbach associé au génie mécanique sur McCormick, a dirigé la fonction théorique de l’étude.
« Nous croyons que nous vainquons la nature »
Beaucoup de gens ont vu la graine de l’hélice tourbillonnante de la feuille d’érable tourner et se réécrire dans les airs et atterrir doucement sur le trottoir. Ce n’est qu’un exemple de la façon dont le caractère a développé des méthodes intelligentes et sophistiquées pour augmenter la survie de diverses végétations. En veillant à ce que les produits semenciers soient largement distribués, sinon la vie végétale et les arbres sédentaires peuvent propager leurs variétés sur de vastes étendues pour peupler de vastes zones.
“L’évolution était probablement la force motrice particulière de ces qualités aérodynamiques sophistiquées présentées par de nombreux cours de graines”, a déclaré Rogers. «Ces structures biologiques sont conçues pour tomber lentement et de manière contrôlée, afin qu’elles puissent interagir avec les modèles d’écoulement du vent pendant la période la plus longue possible. Cette fonction maximise la soumission latérale via des mécanismes aéroportés purement non agressifs. ”
Pour concevoir les microfliers particuliers, l’équipe de Northwestern a étudié l’aérodynamisme particulier d’une quantité de graines de plantes, esquissant son inspiration la plus immédiate de la plante tristellateia, une vigne en fleurs avec des graines en forme d’étoile. Les graines de Tristellateia ont des ailes à lames qui captent le vent particulier pour tomber avec une rotation lente et tournante.
Rogers et son équipe ont créé et construit de nombreux types de microfliers, dont un avec 3 ailes, optimisé afin d’avoir des formes et des angles similaires à ceux des ailes d’une graine de tristellateia. Pour identifier la structure idéale, Huang a dirigé une modélisation informatique à grande échelle de la façon dont l’air se déplace autour de l’appareil afin d’imiter la rotation lente et gérée de la graine de tristellateia.
En fonction de cette modélisation, le groupe de Rogers a ensuite construit et testé des constructions en laboratoire, en utilisant des méthodes avancées de résolution d’image et de quantification des conceptions de flux dans le cadre de collaborations avec Leonardo Chamorro, professeur agrégé d’anatomiste mécanique à l’Université associée à l’Illinois à Urbana. -Campagne.
Les structures qui en résultent peuvent être produites dans une grande variété de formes et de tailles, certaines avec des qualités qui peuvent donner au caractère un bon rapport qualité-prix.
“Nous pensons que nous battons la nature”, a déclaré Rogers. «Au moins dans le sentiment étroit que nous avons été en mesure de créer des structures qui tombent avec des trajectoires plus stables et à des vitesses de terminal d’aéroport plus lentes que les graines comparatives que vous pourriez voir de la vie végétale ou des arbres. Nous avons tous également pu développer ces structures mobiles d’hélicoptères à des dimensions bien inférieures à celles présentes dans la nature. C’est essentiel car la miniaturisation des appareils représente la trajectoire de développement dominante au sein de l’industrie électronique, exactement là où les capteurs, radios, batteries électriques et autres composants pourraient être construits dans des dimensions réellement plus petites. ”
De la vie végétale aux publications pop-up
Pour produire les appareils, l’équipe de Rogers s’est inspirée d’une autre nouveauté connue : un livre pop-up pour enfants.
Son équipe a tout d’abord fabriqué des précurseurs afin de faire voler des structures dans des géométries planes et plates. Ensuite, ils ont fusionné ces précurseurs sur un substrat de caoutchouc légèrement expansé. Une fois que le substrat étiré peut être détendu, un processus de flambage géré se produit qui fait « pop up » des ailes dans des formes tridimensionnelles décrites avec précision.
“Cette stratégie de création de structures 3D à l’aide de précurseurs 2D sera puissante car tous les gadgets à semi-conducteurs existants sont construits dans des dispositions planaires”, a déclaré Rogers. « Nous pouvons ainsi exploiter les matériaux et les méthodes de production avancés utilisés par l’industrie électronique du client pour créer des conceptions de type puce complètement standard. Après cela, nous les transformons simplement en formes volantes TROIS DIMENSIONNELLES simplement par des principes qui ressemblent à ceux d’un livre pop-up. ”
Plein de promesses
Les microfliers comprennent deux parties : des parties fonctionnelles électroniques de taille millimétrique et leurs ailes. Au fur et à mesure que le microflier descend dans les airs, les ailes interagissent avec l’environnement pour créer un mouvement de rotation lent et régulier. L’électronique est généralement répartie bas au milieu du microflier pour éviter qu’il ne perde le contrôle et ne tombe chaotiquement au sol.
Dans les exemples illustrés, le groupe de Rogers a inclus des capteurs, une source électrique qui peut capter l’énergie ambiante, un espace mémoire de stockage et une bonne antenne qui peut transférer sans fil des données vers un téléphone intelligent, une tablette ou même un ordinateur.
Au sein du laboratoire, l’équipe de Rogers a équipé un gadget de tous ces composants pour détecter les particules dans l’air. Dans un autre exemple, ils ont intégré des capteurs de pH qui pourraient être utilisés pour surveiller la qualité de l’eau potable et des photodétecteurs pour mesurer l’exposition au soleil à différentes longueurs d’onde.
Rogers imagine que de nombreux appareils pourraient être réduits à partir d’un avion ou même d’un bâtiment et généralement dispersés pour surveiller les efforts d’assainissement de l’environnement à la suite d’un déversement de produits chimiques ou suivre les niveaux de smog à différentes altitudes.
“La plupart des technologies de vérification impliquent une instrumentation de masse conçue pour collecter des données localement dans un petit nombre d’emplacements sur un sujet spatial”, a déclaré Rogers. « Nous envisageons une énorme multiplicité de capteurs miniaturisés qui peuvent être dispersés à une densité spatiale élevée sur de grandes surfaces, pour former un réseau wifi. ”
Acte de disparition
Mais qu’en est-il de tous les déchets électroniques? Rogers a un plan pour ce testament. Son laboratoire développe actuellement des appareils électroniques grand public transitoires qui peuvent fondre sans danger dans l’eau une fois qu’ils ne sont plus nécessaires, comme le montrent les travaux en cours sur les stimulateurs cardiaques biorésorbables. Maintenant, son groupe utilise les mêmes composants et techniques pour créer des microflyers qui normalement se dégradent et disparaissent dans l’eau potable souterraine au fil du temps.
“Nous fabriquons de telles techniques électroniques réellement transitoires en utilisant des polymères dégradables, des conducteurs compostables et des puces de routine intégrées solubles qui disparaissent normalement dans des équipements finaux écologiques lorsqu’elles sont exposées à l’eau”, a déclaré Roger. «Nous reconnaissons que la récupération associée aux grandes collections associées aux microfliers peut être difficile. Pour résoudre ce problème, ces versions résorbables dans l’environnement se dissolvent normalement et sans danger. ”
Référence : « Microfliers électroniques tridimensionnels influencés par les graines dispersées par le vent » par Bong Hoon Kim, Kan Li, Jin-Tae Kim, Yoonseok Park, Hokyung Jang, Xueju Wang, Zhaoqian Xie, Sang Minutes Won, Hong-Joon Yoon, Geumbee Lee, Woo Jin Jang, Kun Hyuck Lee, Ted S. Chung, Yei Hwan Jung, Seung Yun Heo, Yechan Lee, Juyun Betty, Tengfei Cai, Yeonha Kim, Poom Prasopsukh, Yongjoon Yu, Xinge Yu, Raudel Avila, Haiwen Luan, Honglie Song, Feng Zhu, Ying Zhao, Lin Chen, Seung Ho Han, Jiwoong Betty, Soong Ju Oh oui, Heon Lee, Chihuahua Hwan Lee, Yonggang Huang, Leonardo L. Chamorro, Yihui Zhang et John The. Rogers, 22 septembre 2021 , La nature .
DOI : 10. 1038 / s41586-021-03847-y
L’étude a été soutenue par le Querrey Simpson Institute concernant la bioélectronique à l’Université Northwestern. En plus de Rogers et Huang, les auteurs correspondants incluent Leonardo Chamorro de l’Université ou du collège de l’Illinois et Yihui Zhang associé à l’Université Tsinghua en Chine. Les premiers auteurs de l’article sont généralement Bong Hoon Betty de l’université ou du collège de Soongsil en Corée, Har mulighed pour Li de l’université de technologie et de technologie de Huazhong en Chine et Jin-Tae Kim et Yoonseok Park, tous deux dans le laboratoire de Rogers à Northwestern.
