風(fēng)力傳播種子激發(fā)飛行微裝置研發(fā)靈感 環(huán)境監(jiān)測再添一猛將
【化工儀器網(wǎng) 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(fēng)力傳播，散播遺傳物質(zhì)擴大種群繁殖。這些種子迎風(fēng)而起、隨風(fēng)而落，簡單的模式其實歷經(jīng)千萬年的自然選擇演化——能在無主動驅(qū)動力的情況下“與風(fēng)同行”幾公里甚至更遠的距離，其中包含著特殊的幾何結(jié)構(gòu)與精妙的力學(xué)設(shè)計。
受風(fēng)力傳播種子的啟發(fā)，美國西北大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的研究團隊研發(fā)了一種飛行裝置，未來可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)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?zé)o線設(shè)備。該項成果在英國雜志《自然》上發(fā)表。
風(fēng)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(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定性。這種精確的力學(xué)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(tǒng)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(fēng)洞實驗，改變包括飛行器直徑、結(jié)構(gòu)和翼型等在內(nèi)的設(shè)計參數(shù)，以此改變空氣動力學(xué)影響。此外，研究人員仿照直升機型和飛旋形種子，在旋轉(zhuǎn)過程中加強了裝置的穩(wěn)定性。這些細小設(shè)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(yōu)勢突出，作用多樣。例如，驅(qū)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(xiàn)空氣污染物監(jiān)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(lián)網(wǎng)的節(jié)點，構(gòu)建具有空間深度與時間廣度的低成本實時監(jiān)測系統(tǒng)，助力未來疫情監(jiān)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(wěn)定性。
環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護的重要基礎(chǔ)更是環(huán)境管理的基本手段，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確、科學(xué)、及時關(guān)系到整個環(huán)境監(jiān)測甚至環(huán)境保護工作的成敗。目前，環(huán)境監(jiān)測儀器產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游硬件、軟件、檢測試劑，中游監(jiān)測儀器、監(jiān)測系統(tǒng)，下游儀器維護、設(shè)備運營。近年來，現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建成為熱點，地下水監(jiān)測、海洋監(jiān)測、農(nóng)村監(jiān)測、溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)正在建設(shè)中，實現(xiàn)大氣超級站、衛(wèi)星遙感、水環(huán)境等自動檢測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建統(tǒng)一的國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)管理平臺。而微型飛行裝置的問世，恰好完善動態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)。
下一步，研究人員將基于互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的各種技術(shù)，理解飛行器在風(fēng)中會有怎樣的行為，以及降落傘形和滑翔機形飛行器表現(xiàn)如何進行深入研究。
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