3D 풍력 마이크로칩: 초소형 자율 비행 센서 플랫폼

엔지니어들이 전자 마이크로칩에 새로운 능력을 추가했습니다: 비행. 모래알 크기 정도의 새로운 비행 마이크로칩(마이크로플라이어)에는 모터나 엔진이 없습니다. 대신 단풍나무의 프로펠러 씨앗처럼 바람을 타고 비행하며, 헬리콥터처럼 회전하며 공중을 통해 지면으로 떨어집니다. 마이크로플라이어에는 센서, 전원, 무선 통신용 안테나, 데이터 저장을 위한 임베디드 메모리 등 초소형 기술이 탑재될 수 있습니다.

단풍나무와 다른 풍산 종자의 공기역학을 연구하여, 엔지니어들은 마이크로플라이어의 공기역학을 최적화하여 높은 고도에서 떨어뜨렸을 때 느린 속도로 제어된 방식으로 낙하하도록 했습니다. 이 행동은 비행을 안정화하고, 넓은 지역에 분산을 보장하며, 공기와의 상호작용 시간을 늘려 대기 오염과 공기 매개 질병 모니터링에 이상적입니다.

마이크로플라이어 설계를 위해 팀은 여러 식물 종자의 공기역학을 연구했으며, 가장 직접적인 영감은 별 모양 씨앗을 가진 꽃이 피는 덩굴인 트리스텔라티아(tristellateia) 식물에서 얻었습니다. 트리스텔라티아 씨앗은 바람을 잡아 느리고 회전하는 낙하를 하는 날개 모양의 날개를 가지고 있습니다.

팀은 트리스텔라티아 씨앗의 날개와 유사한 모양과 각도로 최적화된 3날개 마이크로플라이어를 포함하여 다양한 유형의 마이크로플라이어를 설계하고 제작했습니다. 공기가 장치 주위를 어떻게 흐르는지 모방하여 트리스텔라티아 씨앗의 느린 제어된 회전을 모사하기 위해 전체 규모의 계산 모델링을 수행했습니다.

이 모델링을 기반으로 팀은 실험실에서 구조물을 제작하고 테스트했으며, 흐름 패턴을 이미징하고 정량화하는 고급 방법을 사용했습니다. 결과 구조물은 다양한 크기와 모양으로 형성될 수 있습니다.

장치 제조를 위해 팀은 또 다른 친숙한 참신함인 어린이 팝업 책에서 영감을 얻었습니다. 팀은 먼저 평평한 평면 기하학에서 비행 구조체의 전구체를 제작했습니다. 그런 다음 이 전구체들을 약간 늘어난 고무 기판에 결합했습니다. 늘어난 기판이 이완되면 제어된 버클링 공정이 발생하여 날개가 정확히 정의된 3차원 형태로 '튀어 오릅니다(pop up)'.

마이크로플라이어는 두 부분으로 구성됩니다: 밀리미터 크기의 전자 기능 부품과 날개. 마이크로플라이어가 공기를 통해 낙하할 때, 날개는 공기와 상호작용하여 느리고 안정적인 회전 운동을 생성합니다. 전자 부품의 무게는 마이크로플라이어 중앙 하부에 분산되어 있어 통제력을 잃고 혼란스럽게 땅으로 떨어지는 것을 방지합니다.

시연 예시에서 팀은 센서, 주변 에너지를 수확할 수 있는 전원, 메모리 저장소, 스마트폰, 태블릿, 컴퓨터로 데이터를 무선 전송할 수 있는 안테나를 포함했습니다. 팀은 공기 중 미립자를 감지하기 위해 이러한 모든 요소를 갖춘 장치를 하나 만들었습니다. 또 다른 예에서는 수질 모니터링에 사용할 수 있는 pH 센서와 다른 파장에서 햇빛 노출을 측정하는 광검출기를 통합했습니다.

대량의 장치를 비행기나 건물에서 떨어뜨려 화학 물질 유출 후 환경 복원 노력 모니터링이나 다양한 고도에서의 대기 오염 수준 추적에 광범위하게 분산시킬 수 있습니다.

물리적으로 일시적인 전자 시스템은 분해성 폴리머, 퇴비화 가능한 도체, 물에 노출되면 환경적으로 무해한 최종 제품으로 자연스럽게 사라지는 용해성 집적 회로 칩을 사용합니다.