Ученые создали переносимые воздухом летающие микрочипы
Используя природные прототипы, ученые создали самые маленькие в истории летающие конструкции. Микропроцессоры размером с песчинку, оснащенные сверхминиатюрными датчиками, источниками питания, антеннами для беспроводной связи и встроенной памятью, могут контролировать переносимые по воздуху загрязнения и вирусы, а также выполнять множество других задач. Описание разработки опубликовано в журнале Nature.
Новый летающий микрочип не имеет собственного двигателя. Вместо этого он ловит воздушные потоки, так же как это делают семена-пропеллеры клена.
Изучив аэродинамику семян, разносимых ветром, исследователи из Северо-Западного университета США вместе с коллегами из Китай, Кореи и Великобритании разработали такую форму искусственного микропропеллера, которая позволяет ему максимально долго находиться в воздухе при падении на большой высоте, а также обеспечивает контроль перемещения на большой территории.
«Наша цель состояла в том, чтобы добавить малым электронным системам свойство полета, с идеей, что эта новая возможность позволит нам распространять высокофункциональные миниатюрные электронные устройства для измерения параметров окружающей среды, мониторинга загрязнений, наблюдения за населением или отслеживания заболеваний, — приводятся в пресс-релизе университета слова ведущего автора статьи, руководившего разработкой устройства, Джона Роджерса (John Rogers), профессора в области материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Школе инженерии Маккормика и Медицинской школе имени Файнберга. — Мы смогли сделать это, вдохновленные биологическим миром. За миллиарды лет природа создала семена с очень сложной аэродинамикой. Мы позаимствовали эти концепции дизайна, адаптировали их и применили к платформам электронных схем».
Прототипом для конечного варианта летающего микрочипа послужили звездообразные семена цветущей лианы Tristellateia, произрастающей на Мадагаскаре. Лопастные крылья этих семян ловят ветер и падают с очень медленным вращением. Авторы предварительно спроектировали и построили множество различных дизайнов, в том числе — с тремя крыльями, оптимизированными по форме и углам, подобными крыльям семени тристеллатеи.
«Эволюция, вероятно, была движущей силой сложных аэродинамических свойств, присущих многим классам семян, — говорит Роджерс. — Биологические структуры, предназначенные для медленного и контролируемого падения, могут взаимодействовать с ветрами в течение длительного периода времени. Эта функция обеспечивает максимальное распространение за счет пассивных воздушных механизмов».
Чтобы определить идеальную конфигурацию, ученые провели полномасштабное цифровое моделирование того, как воздух обтекает устройство, чтобы имитировать медленное контролируемое вращение семени тристеллатеи. Затем, на основе этого моделирования авторы построили миниатюрные устройства и протестировали их в лаборатории, используя передовые методы визуализации и количественной оценки параметров потока.
По оценкам исследователей, некоторые из созданных ими устройств даже превосходят по своим аэродинамическим качествам природные.
«Мы думаем, что мы обогнали природу, по крайней мере в том смысле, что мы смогли создать структуры, которые падают с более стабильными траекториями и с более низкими конечными скоростями, чем аналогичные семена деревьев», — отмечает ученый.
Авторы уже протестировали устройства, оснащенные датчиками, источниками питания, собирающими энергию окружающей среды, памятью и антенной, которая может передавать данные по беспроводной сети на смартфон, планшет или компьютер. В одном испытании они использовали летающие микрочипы для обнаружения твердых частиц в воздухе, в другом — для определения рН водяного пара и измерения солнечного света на разных длинах волн.
