傳統微飛行器通常使用撲翼、旋翼或噴氣的主動驅動方式作為飛行的動力，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，主動驅動的元件結構往往較為複雜，小型化難度極大，且工作時會產生難以完全消除的噪音，這些特性使得主動驅動微飛行器難以實現小型化、隱蔽化。
風傳植物種子歷經千、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航模式；又或是大葉楓、梣葉槭、花楹、龍腦香種子等（圖1）。
圖1. 風傳植物種子示例
近日，清華大學張一慧課題組與美國西北大學John A. Rogers課題組、黃永剛課題組、美國伊利諾伊大學香檳分校Leonardo P. Chamorro課題組合作，以風傳植物種子為靈感，設計了一種屈曲力學組裝的新型三維微電子飛行器，以實現在空氣中被動、長時間、遠距離飛行。該成果於2021年9月23日以 “Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”為題在Nature上發表，並被選為同期的封面文章。韓國崇實大學助理教授Bong Hoon Kim、劍橋大學博士後厲侃（清華大學錢學森力學班畢業；即將入職華中科技大學）、美國西北大學博士後Jin-Tae Kim和Yoonseok Park為文章的共同第一作者。
研究者以風傳植物種子作為靈感，設計了一類在空氣中具有良好滯空性的以風為動力的被動驅動微飛行器，併成功地在飛行器上集成了電子電路功能模組，可實現空氣汙染物監測等功能。該類微飛行器在空氣中具有非常緩慢的下落速度（約0.28 m/s），只有雪花平均下落速度的1/8左右，而且微飛行器的旋轉下落模式為其提供了較好的飛行穩定性。此外，它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。
01
基於屈曲力學的三維組裝方案與微飛行器的製備
如何低成本、高效率地構建微飛行器的三維結構是其設計的一大要點。研究者採用了由張一慧課題組與黃永剛、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），將二維前驅體結構有選擇地粘接在預拉伸的彈性基底上，透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。透過二維前驅體的精巧幾何設計與粘接點的選擇，可以實現三維構型的手性設計。基於此策略，研究者透過有限元模擬設計了一系列精巧的三維飛行器結構（圖2）。這種輕薄的薄膜結構有利於飛行器降低自身重量，並且增大下落時的空氣阻力，從而減緩下落速度、延長滯空時間。
圖2.三維飛行器結構的力學引導屈曲組裝（動圖）
以此為基礎，研究者採用形狀記憶聚合物作作為薄膜基材，使得成型的三維結構在從基底剝離後得以保持其構型，從而最終完成三維微飛行器的製備。這種製備工藝簡單、高效，可以同時、大批次製造多尺度三維結構（圖3）。該三維組裝方案與傳統二維電子電路製備工藝完美相容，因此極易在三維結構上整合柔性電子器件，根據應用場景需要實現多種功能（圖4）。
圖3.微飛行器大規模多尺度製備
圖4.整合電子電路的三維柔性微飛行器
02
微飛行器滯空性與穩定性設計與最佳化
這種微飛行器的滯空能力是其可以在空氣中長時間自由飛行的關鍵，其終端速度是衡量滯空能力的重要指標。終端速度指的是一個物體在空氣中長時間自由下落時，達到勻速下落狀態下的最終速度，終端速度越小則該物體的滯空性越好。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，因此儘可能的增大迎風面積是降低終端速度的關鍵。可以想象，將一個材料像紙張一樣展開，使其紙面方向保持水平，可以降低其終端速度。然而這種二維結構在實際下落過程中，難以保持其水平狀態，極易出現翻轉、顫動等現象。
風傳植物種子的三維結構為這一難題提供瞭解決方案，即透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（圖5）。
圖5.植物種子與三維微飛行器的旋落（動圖）
研究者透過流體力學數值計算模擬了這一下落過程（圖6），並建立了相應的流固耦合理論模型，系統地揭示了旋落過程的運動機理，併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。
圖6.旋轉下落狀態的流體力學數值模擬（動圖）
03
旋轉下落微飛行器的流場視覺化與分析
研究者透過粒子影象測速法（PIV）,獲得了三維飛行器旋落狀態下高精度的流場圖，進一步深入地解析其運動特性（圖7）。實驗結果顯示，相對二維結構而言，三維旋落飛行器會在尾端形成較大的尾流，並且在豎直方向具有更大的速度擾動。
圖7. PIV成像實驗與流場結果展示（動圖）
04
微電子器件的整合與飛行器功能實現
基於深入的理論研究與精巧的結構設計，研究者進一步在最佳化的三維飛行器結構上集成了微電子器件。有限元模擬展示了這一複雜電子系統的組裝過程（圖8），並透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。這一電子系統包含了無線傳輸天線、微控制晶片以及多個紫外感測器，可以在高空釋放後，在廣闊空間內對空氣汙染物進行長時間實時監測。透過整合不同的電子系統，此類器件還有望在將來實現諸如城市傳染病病原體分佈監測等功能。
圖8.整合空氣汙染物監測系統的三維微飛行器（動圖）
美國西北大學John A. Rogers院士、清華大學張一慧教授、美國伊利諾伊大學香檳分校Leonardo P. Chamorro副教授和美國西北大學黃永剛院士為文章的共同通訊作者。韓國崇實大學助理教授Bong Hoon Kim、劍橋大學博士後厲侃（清華大學錢學森力學班畢業；即將入職華中科技大學）、美國西北大學博士後Jin-Tae Kim和Yoonseok Park為文章的共同第一作者。該研究成果得到了國家自然科學基金委原創探索計劃專案、國家自然科學基金委創新研究群體等專案的資助。
*中國科協科學技術傳播中心支援
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論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y
