風傳種子具有適應風力傳播的特殊結構。受其啟發，來自中國、美國和韓國的聯合研究團隊設計了有史以來最小的電子飛行器——不用馬達、以風為動力的被動微飛行器。它小到1毫米以下，差不多是鉛筆尖的大小。

這種飛行器能實現長時間（其下落速度約為雪花平均下落速度的1/8）、遠距離飛行。在飛行器中集成微電子器件，可用于監測空氣污染物、城市傳染病病原體分布等。

Nature封面

該研究近日以封面論文的形式發表在著名學術期刊《Nature》上，標題為《Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds》（風傳種子啟發的三維微電子飛行器）。

論文共有37位作者。清華大學航天航空學院張一慧教授、美國西北大學黃永剛院士、美國西北大學John A. Rogers院士和美國伊利諾伊大學香檳分校Leonardo Chamorro副教授為論文的共同通訊作者。韓國崇實大學助理教授Bong Hoon Kim、劍橋大學博士后厲侃、美國西北大學博士后Jin-Tae Kim和Yoon seok Park為論文的共同第一作者。

到目前為止，對飛行器的研究大多集中在主動式飛行器上，因為這類飛行器具有在環境中自主運動的優勢。

那么，為什么要研究被動式飛行器？

“傳統微飛行器通常使用撲翼、旋翼或噴氣的主動驅動方式來提供飛行的動力，但此類主動驅動方式需要較大的能量供給，難以實現長時間滯空與遠距離巡航。此外，主動驅動的組件結構往往較為復雜，小型化難度極大，且工作時會產生難以消除的噪音，這些特性使得主動驅動微飛行器難以實現小型化、隱蔽化。”張一慧向澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者解釋道。

“我們的目標是在小型電子系統中添加有翼飛行，因為這些功能將使我們能夠分發功能強大的小型電子設備來感知環境，以進行污染監測、人口監測或疾病跟蹤。” John A. Rogers表示。 

設計被動微飛行器的過程中，為什么會想到借鑒風傳種子？

“風傳種子歷經千、萬年的自然選擇演化，其特殊的幾何結構與精妙的力學設計可以使其在自身無主動驅動力的情況下被動地隨風自由飛行幾公里甚至更遠的距離。風傳植物種子的結構多種多樣，例如蒲公英種子，它可以像降落傘一樣在空氣中緩慢降落；或者星果藤種子，可以像竹蜻蜓一樣實現旋轉下落的飛行模式；又或是大葉楓、梣葉槭、花楹、龍腦香種子等。” 張一慧表示。

植物通過各種各樣的被動策略來傳播種子，每一種策略都是不斷自然選擇的結果。根據種子的傳播載體可將傳播方式分為：重力、機械推進、風、水和動物傳播。其中，風力傳播的適用范圍最廣。

風傳種子通常有四種形狀：降落傘形，如蒲公英；滑翔機形，如翅葫蘆；直升機形，如梣葉槭和大葉楓；撲翼或飛旋形，如毛泡桐或臭椿。

這些結構為被動飛行器的結構設計提供靈感。研究人員注意到，被動擴散具有高空間范圍和低能耗特征，通過類似方式來分布微型電子傳感器、無線通信節點、能量收集組件和各種物聯網可能帶來有趣的機會。“一種典型的風傳種子——星果藤種子為我們提供了實現穩定滯空下落的啟發。這種植物種子，在空中旋轉飄落，利用其自身三維結構，保持結構下落姿態的穩定性，實現結構的長時間滯空。”張一慧介紹道。

風傳種子啟發的三維微飛行器

他表示，將一個材料像紙張一樣展開，使其紙面方向保持水平，可以降低其達到勻速下落狀態下的最終速度。然而，實際下落過程中，這種二維結構難以保持水平，極易發生翻轉、顫動等。

“風傳種子的三維結構為這一難題提供了解決方案，通過利用三維結構保持結構的下落穩定性，可以實現結構的長時間滯空。三維結構的手性可使其在下落過程中繞自身中心軸旋轉，這種旋轉可進一步加強結構的穩定性。”

受風傳種子的啟發，研究團隊設計了一系列飛行器，大小從微型（小于1毫米）到大型（大于1毫米）。研究人員使用模擬和風洞實驗，研究了改變設計參數如飛行器直徑、結構和翼型的空氣動力學影響。他們采用2015年合作提出的屈曲力學引導的三維組裝方法，將二維前驅體結構選擇地粘接在預拉伸基底，并通過釋放預應變實現結構的壓縮屈曲，進而完成二維到三維構型的轉變。

三維微飛行器結構的引導屈曲組裝過程  圖片來源：清華大學官網

微型飛行器由兩部分組成：電子功能部件、機翼。當微型飛行器在空中落下時，它的機翼與空氣相互作用以產生緩慢、穩定的旋轉運動。電子設備的重量分布在飛行器中心的較低位置，以防止飛行過程失控、翻滾到地面。

張一慧介紹稱，以風傳種子為靈感設計的這類具有良好滯空性、以風為動力的被動式微飛行器，可以在上面集成無線傳輸天線、微控制芯片以及多個紫外傳感器。將其在高空釋放后，能夠在廣闊空間內對空氣污染物進行長時間實時監測等。

三維微飛行器結構及空氣污染物檢測演示  圖片來源：清華大學官網

“由于其下落速度慢（約0.28m/s，只有雪花平均下落速度的1/8左右）、有較好的飛行穩定性，又能像植物種子一樣廣泛播撒的特性，使其有望成為未來飛行器‘物聯網’的節點，構建具有超高空間深度與時間廣度的低成本實時監測系統，助力未來疫情監測與病毒防控。”

提及此項研究的主要困難，張一慧指出兩點：第一，理解自然界風傳種子如何利用自身結構盡可能地增加滯空飛行時間，并實現穩定下落，第二，將理論預測設計的三維構型制造出來，并在幾毫米到幾厘米的尺度上集成微電子器件。

對于第一點，張一慧表示，“抓住復雜自然現象的主要矛盾，抽象為基本的科學問題，是其中的難點和關鍵。無論是自然界的種子或我們設計的微飛行器，滯空能力是其可以在空氣中長時間自由飛行的關鍵，其終端速度（達到勻速下落狀態下的最終速度）是衡量滯空能力的重要指標。物體在空氣中達到勻速下落狀態時，空氣對物體的阻力與物體自身重力等值。而該阻力通常與下落速度、迎風面積正相關，因此盡可能的增大迎風面積是降低終端速度的關鍵。”

“為了深入理解和分析這一現象，我們通過流體力學數值計算模擬了這一下落過程，并建立了相應的理論模型，系統地揭示了旋落過程的運動機理，并成功預測了不同結構的終端速度，與數值模擬、下落實驗結果吻合良好。此外，耦合空氣作用力的旋轉動力穩定性模型為此類飛行器的旋轉下落穩定性提供了理論基礎，為此類微飛行器設計提供了指導方案。同時，我們的合作者通過粒子圖像測速法（PIV），獲得了三維飛行器旋落狀態下高精度的流場圖，印證了我們的理論預測。”

對于第二點，張一慧表示，“我們采用了與黃永剛、John Rogers課題組在2015年合作提出的屈曲力學引導的三維自組裝方案（Science 2015, 347: 154-159；封面文章），將二維前驅體結構有選擇地粘接在預拉伸的彈性基底上，通過釋放基底的預應變實現前驅體結構的壓縮屈曲，完成二維到三維構型的轉變。更重要的是，這種2D到3D的成型方法，兼容當前的平面微電子加工工藝。我們利用有限元模擬展示了這一復雜電子系統的組裝過程，并通過精確的力學分析保證了微電子器件在變形與下落過程中不會損壞。”