Dodano: 27 wrzesień 2021r.

Najmniejsza latająca konstrukcja zbudowana przez człowieka

Zainspirowani sposobem, w jaki drzewa rozsiewają swoje nasiona korzystając jedynie z silnego wiatru, naukowcy opracowali maleńkie konstrukcje latające, niewiele większe od ziarenka piasku. Mogą być przenoszone drogą powietrzną na duże odległości. Wyposażone w czujniki do pomiaru warunków środowiskowych mogą monitorować zanieczyszczenie, choroby przenoszone drogą powietrzną czy skażenie środowiska. Jak przyznają sami autorzy, te malutkie maszyny są najmniejszą konstrukcją latającą wykonaną ręką człowieka.

Najmniejsza latająca konstrukcja zbudowana przez człowieka

 

Inżynierowie i badacze od lat czerpią inspirację z natury, opracowując nowe technologie. Tak też zrobili naukowcy z Northwestern University. Podglądając jak niektóre drzewa rozsiewają swoje nasiona przy pomocy wiatru, opracowali podobne konstrukcje, które wyposażone w zminiaturyzowane technologie, takie jak różnego rodzaju czujniki, źródła zasilania, anteny do komunikacji bezprzewodowej ze smarfonami lub komputerami czy wbudowaną pamięć do przechowywania danych, mogą spełniać wiele funkcji.

Opis badań nad miniaturowymi konstrukcjami latającymi ukazał się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-021-03847-y).

Latające urządzenia wielkości ziarenka piasku

Owoce niektórych drzew - klonu czy sosny - mają malutkie orzeszki zaopatrzone w podobne do skrzydeł wyrostki, które ułatwiają drzewu rozsiewanie. Z tego też powodu owoce te nazywane są skrzydlakami, lotnikami bądź szybownikami. Wyrostki spowalniają opadanie i pozwalają na pokonanie w powietrzu całkiem sporych odległości.

Inżynierowie z Northwestern University zainspirowani przyrodą stworzyli podobną konstrukcję latająca, którą nazwali „microfliers”. Maszyna ma wielkość ziarnka piasku i nie ma silnika. Jest unoszona przez wiatr, dokładnie tak, jak nasiona drzew. Wyrostki obracają się w powietrzu jak śmigła helikoptera i po upuszczeniu z dużej wysokości spadają z małą prędkością w kontrolowany sposób. Konstrukcja zapożyczona od natury zapewnia stabilny lot i pomaga osiągać znaczne odległości. Co więcej, takie malutkie maszyny mogą spędzić w powietrzu dużo czasu, dzięki czemu idealnie nadają się do monitorowania zanieczyszczenia powietrza i chorób przenoszonych drogą powietrzną.

Latający microchip wielkości ziarenka piasku

Fot. Northwestern University

- Naszym celem było dodanie możliwości uskrzydlonego lotu do małych systemów elektronicznych, z myślą, że te możliwości pozwolą nam na dystrybucję wysoce funkcjonalnych, zminiaturyzowanych urządzeń elektronicznych do analizowania środowiska w celu monitorowania skażenia, nadzoru populacji lub śledzenia chorób. Udało nam się to zrobić, korzystając z rozwiązań stosowanych w przyrodzie. Przez miliardy lat natura zaprojektowała nasiona o bardzo wyrafinowanej aerodynamice. Pożyczyliśmy te koncepcje projektowe, dostosowaliśmy je i zastosowaliśmy na platformach z układami elektronicznymi – powiedział John Rogers z Northwestern University, który kierował rozwojem urządzenia.

Ulepszanie rozwiązań zapożyczonych z przyrody

Każdy z nas widział, jak wirujące nasiona klonu czy sosny powolutku, delikatnie opadają na ziemię. To tylko jeden przykład tego, jak natura wyewoluowała sprytne, wyrafinowane metody zwiększania przeżywalności różnych roślin. Dzięki temu drzewa mogą rozsiewać nasiona na ogromne odległości i opanowywać duże obszary.

- Ewolucja była siłą napędową wyrafinowanych właściwości aerodynamicznych wykazywanych przez wiele klas nasion. Te struktury biologiczne są zaprojektowane tak, aby opadały powoli i w kontrolowany sposób. Wszystko po to, by mogły wchodzić w interakcje z wzorcami wiatru przez jak najdłuższy czas. Ta cecha maksymalizuje dystrybucję dzięki czysto pasywnym mechanizmom powietrznym – powiedział Rogers.

Podczas projektowania zespół naukowców zbadał aerodynamikę wielu nasion roślin, czerpiąc najbardziej bezpośrednią inspirację z rośliny o łacińskiej nazwie tristellateia, kwitnącej winorośli z nasionami w kształcie gwiazdy, które obracają się podczas lotu.

Rogers i jego zespół zaprojektowali i zbudowali wiele różnych rodzajów inspirowanych nasionami konstrukcji, w tym jedną z trzema skrzydłami, o podobnych kształtach do wyrostków nasion tristellateia. Aby wskazać najbardziej idealną strukturę, Yonggang Huang, współautor publikacji, przeprowadził pełnoskalowe modelowanie obliczeniowe przepływu powietrza wokół konstrukcji, aby naśladować powolną, kontrolowaną rotację nasion.

W oparciu o to modelowanie grupa Rogersa zbudowała i przetestowała struktury w laboratorium, stosując zaawansowane metody obrazowania. Powstałe konstrukcje mogą być formowane w różnych rozmiarach i kształtach.

- Uważamy, że pokonujemy naturę – powiedział Rogers. - Przynajmniej w wąskim zakresie. Byliśmy w stanie zbudować struktury, które spadają z bardziej stabilnymi trajektoriami i wolniejszymi prędkościami końcowymi niż nasiona, które można zobaczyć u roślin lub drzew. Udało nam się również zbudować podobne konstrukcje latające o rozmiarach znacznie mniejszych niż te występujące w naturze. To ważne, ponieważ miniaturyzacja urządzeń reprezentuje dominującą trajektorię rozwoju w branży elektronicznej, w której czujniki, radia, baterie i inne komponenty mogą być konstruowane w coraz mniejszych rozmiarach – dodał.

Badacze poprawili nieco konstrukcję zaczerpniętą z natury i dodali kilka usprawnień, których trudno szukać w przyrodzie. Końcowy produkt jest sprężysty, co pozwala na bardziej wydajny lot. Do tego jego skrzydła mogą się chować i wysuwać.

Potencjalne zastosowania

Konstrukcja składa się z dwóch części: miniaturowych elektronicznych elementów funkcjonalnych i ich skrzydełek. Gdy maszyna spada w powietrzu, jego skrzydła wchodzą w interakcję z powietrzem, tworząc powolny, stabilny ruch obrotowy. Ciężar elektroniki jest rozłożony pośrodku, aby zapobiec utracie kontroli i chaotycznemu upadkowi na ziemię.

Grupa Rogersa wyposażyła jedno z urządzeń w czujniki do wykrywania cząstek stałych w powietrzu. W innym przykładzie zastosowano czujniki pH, co daje możliwość wykorzystania maszyny do monitorowania jakości wody. Jeszcze inny „microfliers” otrzymał fotodetektory do pomiaru ekspozycji na słońce przy różnych długościach fal.

Rogers wyobraża sobie, że duża liczba urządzeń może zostać zrzucona z samolotu lub budynku i rozproszyć się w celu monitorowania środowiska chociażby po jakimś wycieku chemikaliów lub śledzenia poziomu zanieczyszczenia powietrza na różnych wysokościach. - Większość technologii monitorowania obejmuje masowe oprzyrządowanie zaprojektowane do zbierania danych lokalnie w niewielkiej liczbie lokalizacji w obszarze zainteresowania. My dajemy możliwość skorzystania z dużej liczby zminiaturyzowanych czujników, które można rozmieścić z dużą gęstością na dużych obszarach, tworząc sieć bezprzewodową – powiedział Rogers.

Ale co z całym elektronicznym śmieciem? Rogers ma i na to plan. Jego laboratorium już opracowuje elektronikę, która może ulegać biodegradacji, co oznacza, że „microfliers” po zakończeniu misji ulegnie rozkładowi.

- Produkujemy takie układy elektroniczne, używając degradowalnych polimerów, kompostowalnych przewodników i rozpuszczalnych układów scalonych, które w naturalny sposób ulegają degradacji i są przyjazne dla środowiska - powiedział Roger.


Źródło i fot.: Northwestern University