風(fēng)傳種子具有適應(yīng)風(fēng)力傳播的特殊結(jié)構(gòu)。受其啟發(fā)，來自中國、美國和韓國的聯(lián)合研究團(tuán)隊設(shè)計了有史以來最小的電子飛行器——不用馬達(dá)、以風(fēng)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(xiàn)長時間（其下落速度約為雪花平均下落速度的1/8）、遠(yuǎn)距離飛行。在飛行器中集成微電子器件，可用于監(jiān)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(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》上，標(biāo)題為《Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds》（風(fēng)傳種子啟發(fā)的三維微電子飛行器）。

論文共有37位作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧教授、美國西北大學(xué)黃永剛院士、美國西北大學(xué)John A. Rogers院士和美國伊利諾伊大學(xué)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(xué)助理教授Bong Hoon Kim、劍橋大學(xué)博士后厲侃、美國西北大學(xué)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(huán)境中自主運動的優(yōu)勢。

那么，為什么要研究被動式飛行器？

“傳統(tǒng)微飛行器通常使用撲翼、旋翼或噴氣的主動驅(qū)動方式來提供飛行的動力，但此類主動驅(qū)動方式需要較大的能量供給，難以實現(xiàn)長時間滯空與遠(yuǎn)距離巡航。此外，主動驅(qū)動的組件結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，小型化難度極大，且工作時會產(chǎn)生難以消除的噪音，這些特性使得主動驅(qū)動微飛行器難以實現(xiàn)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(biāo)是在小型電子系統(tǒng)中添加有翼飛行，因為這些功能將使我們能夠分發(fā)功能強(qiáng)大的小型電子設(shè)備來感知環(huán)境，以進(jìn)行污染監(jiān)測、人口監(jiān)測或疾病跟蹤。” John A. Rogers表示。 

設(shè)計被動微飛行器的過程中，為什么會想到借鑒風(fēng)傳種子？

“風(fēng)傳種子歷經(jīng)千、萬年的自然選擇演化，其特殊的幾何結(jié)構(gòu)與精妙的力學(xué)設(shè)計可以使其在自身無主動驅(qū)動力的情況下被動地隨風(fēng)自由飛行幾公里甚至更遠(yuǎn)的距離。風(fēng)傳植物種子的結(jié)構(gòu)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(xiàn)旋轉(zhuǎn)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(jié)果。根據(jù)種子的傳播載體可將傳播方式分為：重力、機(jī)械推進(jìn)、風(fēng)、水和動物傳播。其中，風(fēng)力傳播的適用范圍最廣。

風(fēng)傳種子通常有四種形狀：降落傘形，如蒲公英；滑翔機(jī)形，如翅葫蘆；直升機(jī)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(jié)構(gòu)為被動飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供靈感。研究人員注意到，被動擴(kuò)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(jié)點、能量收集組件和各種物聯(lián)網(wǎng)可能帶來有趣的機(jī)會。“一種典型的風(fēng)傳種子——星果藤種子為我們提供了實現(xiàn)穩(wěn)定滯空下落的啟發(fā)。這種植物種子，在空中旋轉(zhuǎn)飄落，利用其自身三維結(jié)構(gòu)，保持結(jié)構(gòu)下落姿態(tài)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長時間滯空。”張一慧介紹道。

風(fēng)傳種子啟發(fā)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(dá)到勻速下落狀態(tài)下的最終速度。然而，實際下落過程中，這種二維結(jié)構(gòu)難以保持水平，極易發(fā)生翻轉(zhuǎn)、顫動等。

“風(fēng)傳種子的三維結(jié)構(gòu)為這一難題提供了解決方案，通過利用三維結(jié)構(gòu)保持結(jié)構(gòu)的下落穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長時間滯空。三維結(jié)構(gòu)的手性可使其在下落過程中繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)可進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。”

受風(fēng)傳種子的啟發(fā)，研究團(tuán)隊設(shè)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(fēng)洞實驗，研究了改變設(shè)計參數(shù)如飛行器直徑、結(jié)構(gòu)和翼型的空氣動力學(xué)影響。他們采用2015年合作提出的屈曲力學(xué)引導(dǎo)的三維組裝方法，將二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)選擇地粘接在預(yù)拉伸基底，并通過釋放預(yù)應(yīng)變實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的壓縮屈曲，進(jìn)而完成二維到三維構(gòu)型的轉(zhuǎn)變。

三維微飛行器結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)屈曲組裝過程  圖片來源：清華大學(xué)官網(wǎng)

微型飛行器由兩部分組成：電子功能部件、機(jī)翼。當(dāng)微型飛行器在空中落下時，它的機(jī)翼與空氣相互作用以產(chǎn)生緩慢、穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運動。電子設(shè)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(fēng)傳種子為靈感設(shè)計的這類具有良好滯空性、以風(fēng)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(nèi)對空氣污染物進(jìn)行長時間實時監(jiān)測等。

三維微飛行器結(jié)構(gòu)及空氣污染物檢測演示  圖片來源：清華大學(xué)官網(wǎng)

“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(wěn)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(lián)網(wǎng)’的節(jié)點，構(gòu)建具有超高空間深度與時間廣度的低成本實時監(jiān)測系統(tǒng)，助力未來疫情監(jiān)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(fēng)傳種子如何利用自身結(jié)構(gòu)盡可能地增加滯空飛行時間，并實現(xiàn)穩(wěn)定下落，第二，將理論預(yù)測設(shè)計的三維構(gòu)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(fù)雜自然現(xiàn)象的主要矛盾，抽象為基本的科學(xué)問題，是其中的難點和關(guān)鍵。無論是自然界的種子或我們設(shè)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(guān)鍵，其終端速度（達(dá)到勻速下落狀態(tài)下的最終速度）是衡量滯空能力的重要指標(biāo)。物體在空氣中達(dá)到勻速下落狀態(tài)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(fēng)面積正相關(guān)，因此盡可能的增大迎風(fēng)面積是降低終端速度的關(guān)鍵。”

“為了深入理解和分析這一現(xiàn)象，我們通過流體力學(xué)數(shù)值計算模擬了這一下落過程，并建立了相應(yīng)的理論模型，系統(tǒng)地揭示了旋落過程的運動機(jī)理，并成功預(yù)測了不同結(jié)構(gòu)的終端速度，與數(shù)值模擬、下落實驗結(jié)果吻合良好。此外，耦合空氣作用力的旋轉(zhuǎn)動力穩(wěn)定性模型為此類飛行器的旋轉(zhuǎn)下落穩(wěn)定性提供了理論基礎(chǔ)，為此類微飛行器設(shè)計提供了指導(dǎo)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(tài)下高精度的流場圖，印證了我們的理論預(yù)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(xué)引導(dǎo)的三維自組裝方案（Science 2015, 347: 154-159；封面文章），將二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)有選擇地粘接在預(yù)拉伸的彈性基底上，通過釋放基底的預(yù)應(yīng)變實現(xiàn)前驅(qū)體結(jié)構(gòu)的壓縮屈曲，完成二維到三維構(gòu)型的轉(zhuǎn)變。更重要的是，這種2D到3D的成型方法，兼容當(dāng)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(fù)雜電子系統(tǒng)的組裝過程，并通過精確的力學(xué)分析保證了微電子器件在變形與下落過程中不會損壞。”