風力傳播種子激發飛行微裝置研發靈感 環境監測再添一猛將
【化工儀器網 項目成果】植物種子有各種形狀和大小，其中降落傘形、撲翼或飛旋形、直升機形種子可利用風力傳播，散播遺傳物質擴大種群繁殖。這些種子迎風而起、隨風而落，簡單的模式其實歷經千萬年的自然選擇演化——能在無主動驅動力的情況下“與風同行”幾公里甚至更遠的距離，其中包含著特殊的幾何結構與精妙的力學設計。
受風力傳播種子的啟發，美國西北大學科學家在內的研究團隊研發了一種飛行裝置，未來可應用于環境監測或通信。這種飛行裝置可以攜帶有源電子載荷，從而可在一定范圍建立無電池無線設備。該項成果在英國雜志《自然》上發表。
風力傳播種子給予微飛行器滯空能力提升突破的機會，即利用三維結構保持穩定性。這種精確的力學分析，能讓微電子器件在飛行和下落中都不會損壞，保證了其未來集成電子系統在空中工作的能力。
該飛行裝置大小包括從小于1毫米的微型到大于1毫米的大型。研究人員通過多次模擬和風洞實驗，改變包括飛行器直徑、結構和翼型等在內的設計參數，以此改變空氣動力學影響。此外，研究人員仿照直升機型和飛旋形種子，在旋轉過程中加強了裝置的穩定性。這些細小設計可以集成簡單電子器件，其中包含檢測空氣顆粒物的電路。
該微型飛行器優勢突出，作用多樣。例如，驅動微飛行器在空氣中具有良好滯空性的，可以在飛行器上集成電子電路功能模塊，從而實現空氣污染物監測等功能。除此之外，它還可以像植物種子一樣廣泛播撒，有望成為物聯網的節點，構建具有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。值得一提的是，該類微飛行器在空氣中下落速度約0.28m/s，非常緩慢，只有雪花平均下落速度的1/8左右，緩慢下降速度和下落模式為其提供了較好的飛行穩定性。
環境監測是環境保護的重要基礎更是環境管理的基本手段，監測數據的準確、科學、及時關系到整個環境監測甚至環境保護工作的成敗。目前，環境監測儀器產業鏈主要分為上游硬件、軟件、檢測試劑，中游監測儀器、監測系統，下游儀器維護、設備運營。近年來，現代環境監測網絡體系構建成為熱點，地下水監測、海洋監測、農村監測、溫室氣體監測網絡正在建設中，實現大氣超級站、衛星遙感、水環境等自動檢測數據聯網，構建統一的國家生態環境監測大數據管理平臺。而微型飛行裝置的問世，恰好完善動態監測傳感器網絡。
下一步，研究人員將基于互聯網連接設備網絡的各種技術，理解飛行器在風中會有怎樣的行為，以及降落傘形和滑翔機形飛行器表現如何進行深入研究。
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