Microchips kunnen nieuw kunstje: vliegen

Door esdoorns en andere soorten door de wind verspreide zaden te bestuderen, hebben de ingenieurs de aerodynamica van de microflier geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat hij op een gecontroleerde manier, met een lage snelheid valt. Dit stabiliseert zijn vlucht, zorgt voor verspreiding over een breed gebied en verlengt de tijd dat de chip in contact staat met de lucht. Dit maakt hem geschikt voor functies als het meten van luchtvervuiling en door de lucht overgedragen ziekten.

De microfliers, volgens de onderzoekers de kleinste door mensen gemaakte vliegende structuren ooit, kunnen ook worden uitgerust met ultrageminiaturiseerde technologie, waaronder sensoren, stroombronnen, antennes voor draadloze communicatie en ingebouwd geheugen om gegevens op te slaan.

 Het onderzoek staat in Nature.

Om de microfliers te ontwerpen, bestudeerde het Northwestern-team de aerodynamica van een aantal plantenzaden, waarbij de meest directe inspiratie werd gehaald uit de tristellateia-plant, een bloeiende wijnstok met stervormige zaden. Tristellateia-zaden hebben vleugels met bladen die de wind vangen om te vallen met een langzame, roterende draai.

John A. Rogers, die de ontwikkeling van het apparaat leidde, en zijn team ontwierpen en bouwden veel verschillende soorten microfliers, waaronder een met drie vleugels, geoptimaliseerd voor vergelijkbare vormen en hoeken als de vleugels op een tristellateia-zaadje. Om de meest ideale structuur te bepalen, leidde Yonggang Huang, hoogleraar werktuigbouwkunde aan McCormick, grootschalige computermodellering van hoe de lucht rond het apparaat stroomt om de langzame, gecontroleerde rotatie van het tristellateia-zaad na te bootsen.

Op basis van deze modellering bouwde en testte de groep van Rogers vervolgens structuren in het laboratorium, met behulp van geavanceerde methoden voor het afbeelden en kwantificeren van stromingspatronen in samenwerking met Leonardo Chamorro, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

De resulterende structuren kunnen worden gevormd in een breed scala aan maten en vormen, sommige met eigenschappen waar de natuur nog een puntje aan kan zuigen.

Beter dan in de natuur

"We denken dat we de natuur verslaan", zei Rogers. "In ieder geval in de enge zin dat we structuren hebben kunnen bouwen die met stabielere banen en met lagere eindsnelheden vallen dan vergelijkbare zaden die je zou zien van planten of bomen. We waren ook in staat om deze helikoptervliegende constructies te bouwen in formaten die veel kleiner zijn dan die in de natuur. Dat is belangrijk omdat miniaturisatie van apparaten het dominante ontwikkelingstraject in de elektronica-industrie vertegenwoordigt, waar sensoren, radio’s, batterijen en andere componenten in steeds kleinere afmetingen kunnen worden gebouwd."

Pop-upvleugels

Om de apparaten te vervaardigen, liet Rogers zich inspireren door pop-upboeken. Zijn team fabriceerde eerst voorlopers van vliegende structuren in platte, vlakke geometrieën. Vervolgens bonden ze deze voorlopers op een licht uitgerekt rubbersubstraat. Wanneer het uitgerekte substraat wordt ontspannen, treedt een gecontroleerd knikproces op dat ervoor zorgt dat de vleugels ‘op-poppen’ in nauwkeurig gedefinieerde driedimensionale vormen.

"Deze strategie is krachtig omdat alle bestaande halfgeleiderapparaten in vlakke lay-outs zijn gebouwd", zei Rogers. "We kunnen dus gebruikmaken van de meest geavanceerde materialen en productiemethoden die worden gebruikt door de consumentenelektronica-industrie om volledig standaard, platte, chipachtige ontwerpen te maken. Vervolgens transformeren we ze gewoon in 3D vliegende vormen volgens principes die vergelijkbaar zijn met die van een pop-upboek."

Grote hoeveelheden miniatuurmeters

De microfliers bestaan ​​uit twee delen: elektronische functionele componenten ter grootte van een millimeter en hun vleugels. Terwijl de microflier door de lucht valt, werken zijn vleugels samen met de lucht om een ​​langzame, stabiele rotatiebeweging te creëren. Het gewicht van de elektronica is laag in het midden van de microflier verdeeld om te voorkomen dat deze de controle verliest en chaotisch op de grond valt.

In gedemonstreerde voorbeelden omvatte het team van Rogers sensoren, een stroombron die omgevingsenergie kan oogsten, geheugenopslag en een antenne die draadloos gegevens kan overbrengen naar een smartphone, tablet of computer.

In het lab heeft de groep van Rogers één apparaat uitgerust met al deze elementen om deeltjes in de lucht te detecteren. In een ander voorbeeld hebben ze pH-sensoren ingebouwd die kunnen worden gebruikt om de waterkwaliteit te bewaken en fotodetectoren om blootstelling aan de zon op verschillende golflengten te meten.

Rogers stelt zich voor dat grote aantallen apparaten uit een vliegtuig of gebouw kunnen vallen en wijd verspreid kunnen worden om de milieusaneringsinspanningen te volgen na een chemische lekkage of om de niveaus van luchtvervuiling op verschillende hoogten te volgen.

"De meeste monitoringtechnologieën omvatten bulkinstrumentatie die is ontworpen om lokaal gegevens te verzamelen op een klein aantal locaties in een ruimtelijk interessegebied", zei Rogers. "Wij hebben een groot aantal geminiaturiseerde sensoren voor ogen die met een hoge ruimtelijke dichtheid over grote gebieden kunnen worden verdeeld om een ​​draadloos netwerk te vormen."

Verdwijnentruc

Maar hoe zit het met al het elektronische afval? Rogers heeft daar een plan voor. Zijn lab ontwikkelt al tijdelijke elektronica die onschadelijk kan oplossen in water nadat ze niet langer nodig zijn – zoals aangetoond in recent werk aan bioresorbeerbare pacemakers. Nu gebruikt zijn team dezelfde materialen en technieken om microfliers te bouwen die van nature afbreken en na verloop van tijd in het grondwater verdwijnen.