风力传播种子激发飞行微装置研发灵感环境监测再添一猛将

2021年09月24日 14:09:55来源：化工仪器网点击：8561

　　【化工仪器网项目成果】植物种子有各种形状和大小，其中降落伞形、扑翼或飞旋形、直升机形种子可利用风力传播，散播遗传物质扩大种群繁殖。这些种子迎风而起、随风而落，简单的模式其实历经千万年的自然选择演化——能在无主动驱动力的情况下“与风同行”几公里甚至更远的距离，其中包含着特殊的几何结构与精妙的力学设计。

　　受风力传播种子的启发，美国西北大学科学家在内的研究团队研发了一种飞行装置，未来可应用于环境监测或通信。这种飞行装置可以携带有源电子载荷，从而可在一定范围建立无电池无线设备。该项成果在英国杂志《自然》上发表。

　　风力传播种子给予微飞行器滞空能力提升突破的机会，即利用三维结构保持稳定性。这种精确的力学分析，能让微电子器件在飞行和下落中都不会损坏，保证了其未来集成电子系统在空中工作的能力。

　　该飞行装置大小包括从小于1毫米的微型到大于1毫米的大型。研究人员通过多次模拟和风洞实验，改变包括飞行器直径、结构和翼型等在内的设计参数，以此改变空气动力学影响。此外，研究人员仿照直升机型和飞旋形种子，在旋转过程中加强了装置的稳定性。这些细小设计可以集成简单电子器件，其中包含检测空气颗粒物的电路。

　　该微型飞行器优势突出，作用多样。例如，驱动微飞行器在空气中具有良好滞空性的，可以在飞行器上集成电子电路功能模块，从而实现空气污染物监测等功能。除此之外，它还可以像植物种子一样广泛播撒，有望成为物联网的节点，构建具有空间深度与时间广度的低成本实时监测系统，助力未来疫情监测与病毒防控。值得一提的是，该类微飞行器在空气中下落速度约0.28m/s，非常缓慢，只有雪花平均下落速度的1/8左右，缓慢下降速度和下落模式为其提供了较好的飞行稳定性。

　　环境监测是环境保护的重要基础更是环境管理的基本手段，监测数据的准确、科学、及时关系到整个环境监测甚至环境保护工作的成败。目前，环境监测仪器产业链主要分为上游硬件、软件、检测试剂，中游监测仪器、监测系统，下游仪器维护、设备运营。近年来，现代环境监测网络体系构建成为热点，地下水监测、海洋监测、农村监测、温室气体监测网络正在建设中，实现大气超级站、卫星遥感、水环境等自动检测数据联网，构建统一的国家生态环境监测大数据管理平台。而微型飞行装置的问世，恰好完善动态监测传感器网络。

　　下一步，研究人员将基于互联网连接设备网络的各种技术，理解飞行器在风中会有怎样的行为，以及降落伞形和滑翔机形飞行器表现如何进行深入研究。

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