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受到種子傳播啟發 科學家開發毫米級飛行機器人

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科技產業資訊室 (iKnow) - Lisa 發表於 2021年9月29日

圖、受到種子傳播啟發 科學家開發毫米級飛行機器人
 
由美國西北大學材料科學與工程、生物醫學工程和神經外科的John A. Rogers教授領導的團隊,提出一種可以像植物種子一樣乘風而行的微晶片,是人類有史以來尺寸最小的飛行裝置。研究於2021年9月22日發表於《自然》科學期刊。
 
這些受生物啟發的飛行機器人約沙粒般大,具有廣泛用途,像是監測空氣污染、追蹤疾病的傳播或收集科學資料;由生物可分解材料組成,當降落或掉落後可重新被環境吸收,以防止造成污染。
 
Rogers教授表示,自然界中的植物和樹木透過獨特和創新的方式,利用風和氣流等被動的手段,以種子傳遞生物的遺傳物質。目前,正在研究自然界創新的種子傳播(seed dispersal)技術,從蒲公英式的降落傘,到爪哇黃瓜(Javan cucumber)使用的滑翔式,再到槐樹(jacaranda tree)的撲翼和分旋式。但這項研究特別關注楓樹或木質藤蔓的旋轉直升機式種子的傳播技術。
 
從樹上掉下來的種子,透過在風中旋轉動作以最大限度延長它們在空中的時間,從而提高它們從母體植物飛行的能力。Rogers教授團隊透過對三翼三葉草(three-winged tristellateia)直升機型種子的飛行動力學和受控旋轉進行模擬,來模仿這種巧妙的設計,打造微小的人工轉子(artificial rotors)。
 
研究人員將飛行機器人縮小到毫米級,比天然種子小,但仍然足以搭配微型儀器、電腦晶片、電源和其他零件。團隊還對更小的概念裝置進行實驗,但在超過毫米級後情況變得難以掌控。當研究團隊把尺寸減小到約一毫米以下時,空氣動力學就開始崩潰。若低於該尺度以下,所有看起來和落下時都像一個球體,沒有流動驅動的旋轉動作,直升機設計的所有優勢在一定的長度大小以下開始消失。
 
體積縮小之外,研究團隊還測試將飛行機器人搭配不同功能的有效載荷,例如可以與智慧手機進行無線通訊的天線,或者可以監測pH值、水質或太陽波長的環境感測器。
 
儘管這些設備有許多潛在的應用,但最熱門的可能部署在疾病嗅探蜂群(disease-sniffing swarm),它可以標出流行病和大流行病的早期預警信號,或在發展過程中進行追蹤。研究團隊認為,未來可以使用飛行裝置監測生物危害,如病原體、氣膠等。目前這都只是概念,還沒有通過驗證,但是如果開始考慮增加感測能力的潛力,病原體監測很有機會被實現,團隊也正在探索類似想法。
 
這類型飛行機器人只是臨時性的,為了滿足特定需求的裝置,不是永久性的監測器,根據研究團隊目前的設想,在監測一段時間後,裝置就會分解消失,使用者必須重新部署。(805字;圖1)
 
研究論文:Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds

Youtube影片:Spinning seeds inspire floating electronics - and monitor the atmosphere

 

參考資料:
Winged Microchips Are the Smallest Flying Machines Made by Humans. Vice, 2021/9/22. 



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