微小的電子傳單可以像微風(fēng)中的種子一樣漂浮以監(jiān)測(cè)環(huán)境

當(dāng)樹木和植物散播種子時(shí)，它們通常依靠風(fēng)將它們帶到新的牧場(chǎng)。不同的種子采用不同的飛行方式：有的在空中滑翔，有的降落到地面，有的像直升機(jī)一樣在微風(fēng)中旋轉(zhuǎn)。對(duì)于科學(xué)家來說，這些空氣動(dòng)力學(xué)為新型機(jī)載傳感器提供了靈感——微型飛行器，有些比一粒沙子還小，有些則配備了電子設(shè)備，未來可以漂浮到大氣中執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)等任務(wù)。

這些傳單的尺寸從大約 40 毫米(最大)到 0.4 毫米(最小)不等，它們不會(huì)靠自己的力量移動(dòng)。相反，它們的設(shè)計(jì)目的是在空氣中停留盡可能長(zhǎng)的時(shí)間，并由其仿生空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供支持。

由西北大學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過物理原型和計(jì)算機(jī)模擬開發(fā)了它們的形狀。他們最好的結(jié)果是一個(gè)微小的飛行器，它在落到地面時(shí)以 28 厘米/秒的最大速度悠閑地移動(dòng)(這種測(cè)量稱為終端速度)。相比之下，雪花以 250 厘米/秒的速度下落，而螞蟻樹 (Triplaris cumingiana)的種子以 75 厘米/秒的速度漂浮。

“在飛行動(dòng)力學(xué)方面，我們可以比種子做得更好，這令人驚訝，”領(lǐng)導(dǎo)飛行器開發(fā)的西北大學(xué)材料科學(xué)與工程教授約翰羅杰斯告訴The Verge。他指出，這可能是因?yàn)榇笞匀槐仨殐?yōu)化種子的設(shè)計(jì)以平衡許多不同的考慮因素，而科學(xué)家們可以只關(guān)注幾個(gè)：有效載荷和飛行時(shí)間。

正是這些有效載荷使這些傳單與眾不同。羅杰斯和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了許多不同的原型，包括長(zhǎng)約 40 毫米的大型裝置，這些裝置配備了無電池電子設(shè)備以監(jiān)測(cè)太陽光照射。兩毫米寬的較小模型由特殊材料制成，可根據(jù)環(huán)境因素(如酸度或某些元素(如鉛或汞)的存在)改變顏色。

羅杰斯說，它們收集數(shù)據(jù)的能力意味著這些傳單可以用作環(huán)境監(jiān)測(cè)工具。他設(shè)想可以通過飛機(jī)或無人機(jī)分散單位云，以執(zhí)行諸如監(jiān)測(cè)化學(xué)品泄漏或大氣污染之類的任務(wù)。飛行員會(huì)在漂浮到地面或著陸時(shí)收集數(shù)據(jù)。對(duì)于較大的裝置，微型天線可以將信息無線發(fā)送回家庭接收器，或者，對(duì)于變色傳單，可以使用航空攝影從上方拍攝傳單的照片以收集所需的數(shù)據(jù)。

但是，盡管羅杰斯對(duì)傳單提出了雄心勃勃的愿景，但在設(shè)計(jì)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境方面仍有許多懸而未決的問題。在挪威空氣研究所 (NILU) 從事污染監(jiān)測(cè)技術(shù)工作的高級(jí)科學(xué)家 Núria Castell 告訴The Verge，以羅杰斯團(tuán)隊(duì)設(shè)想的方式收集數(shù)據(jù)將限制這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用。

“我在想，我們真的需要這個(gè)嗎?這將如何運(yùn)作?”卡斯特爾說。她指出，對(duì)于她自己的研究——測(cè)量城市的空氣污染——傳單提供的問題多于解決方案。它們太小，無法攜帶敏感設(shè)備;他們只在到達(dá)地面的途中短暫地從相關(guān)海拔高度收集數(shù)據(jù);并且它們需要一次又一次地分散以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)捕獲數(shù)據(jù)。Castell 說，這些都是使用現(xiàn)有技術(shù)最好解決的問題。“即使只是一周，你需要多少這些 [傳單] 來測(cè)量數(shù)據(jù)?”

卡斯特爾說，設(shè)計(jì)傳單的工程和物理研究值得稱贊。她補(bǔ)充說，雖然它們可能不適用于常規(guī)數(shù)據(jù)收集，但它們?cè)诰o急情況下可能非常有用。“他們可以將它用于生物危害事故，”她說。“我說的是非常嚴(yán)重的事件，你需要立即做出反應(yīng)。”在這種情況下，無人機(jī)可以迅速飛出并將飛行器分散在受影響區(qū)域上空，以快速收集事故損壞情況。

傳單的另一個(gè)潛在問題是，作為一次性物品，它們可能會(huì)產(chǎn)生廢物。但羅杰斯表示，他和他的團(tuán)隊(duì)一直致力于通過將傳單與新型可溶解電子設(shè)備配對(duì)來消除這種情況，從而最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響。“我們非常深入地考慮了這個(gè)問題，”他說。“我們將很快發(fā)布一些演示，其中所有電子設(shè)備都會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)消失并被雨水沖走。”

不過，最終傳單仍然是初步設(shè)計(jì)。羅杰斯說，制造技術(shù)已經(jīng)很成熟，但傳單本身只在受控環(huán)境中進(jìn)行過測(cè)試，而沒有在野外進(jìn)行大規(guī)模部署。“現(xiàn)在還為時(shí)尚早，”他說。“但與此同時(shí)，我們非常深入地思考了哪些想法可以擴(kuò)展，哪些不能擴(kuò)展，并且我們專注于可以擴(kuò)展的概念和實(shí)際相關(guān)的想法。我們將尋找合作伙伴，將這項(xiàng)技術(shù)帶出實(shí)驗(yàn)室。”