中美韩团队创有史以来最小电子飞行器：种子启发，以风为动力( 二 ) 风传种子具有适应风力传播的

文章图片
风传种子启发的三维微飞行器他表示，将一个材料像纸张一样展开，使其纸面方向保持水平，可以降低其达到匀速下落状态下的最终速度。然而，实际下落过程中，这种二维结构难以保持水平，极易发生翻转、颤动等。
“风传种子的三维结构为这一难题提供了解决方案，通过利用三维结构保持结构的下落稳定性，可以实现结构的长时间滞空。三维结构的手性可使其在下落过程中绕自身中心轴旋转，这种旋转可进一步加强结构的稳定性。”
受风传种子的启发，研究团队设计了一系列飞行器，大小从微型（小于1毫米）到大型（大于1毫米）。研究人员使用模拟和风洞实验，研究了改变设计参数如飞行器直径、结构和翼型的空气动力学影响。他们采用2015年合作提出的屈曲力学引导的三维组装方法，将二维前驱体结构选择地粘接在预拉伸基底，并通过释放预应变实现结构的压缩屈曲，进而完成二维到三维构型的转变。

文章图片

文章图片
三维微飞行器结构的引导屈曲组装过程图片来源：清华大学官网微型飞行器由两部分组成：电子功能部件、机翼。当微型飞行器在空中落下时，它的机翼与空气相互作用以产生缓慢、稳定的旋转运动。电子设备的重量分布在飞行器中心的较低位置，以防止飞行过程失控、翻滚到地面。
张一慧介绍称，以风传种子为灵感设计的这类具有良好滞空性、以风为动力的被动式微飞行器，可以在上面集成无线传输天线、微控制芯片以及多个紫外传感器。将其在高空释放后，能够在广阔空间内对空气污染物进行长时间实时监测等。

文章图片

文章图片
三维微飞行器结构及空气污染物检测演示图片来源：清华大学官网“由于其下落速度慢（约0.28m/s ，只有雪花平均下落速度的1/8左右）、有较好的飞行稳定性，又能像植物种子一样广泛播撒的特性，使其有望成为未来飞行器‘物联网’的节点，构建具有超高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。”
【中美韩团队创有史以来最小电子飞行器：种子启发，以风为动力】提及此项研究的主要困难，张一慧指出两点：第一，理解自然界风传种子如何利用自身结构尽可能地增加滞空飞行时间，并实现稳定下落，第二，将理论预测设计的三维构型制造出来，并在几毫米到几厘米的尺度上集成微电子器件。
对于第一点，张一慧表示， “抓住复杂自然现象的主要矛盾，抽象为基本的科学问题，是其中的难点和关键。无论是自然界的种子或我们设计的微飞行器，滞空能力是其可以在空气中长时间自由飞行的关键，其终端速度（达到匀速下落状态下的最终速度）是衡量滞空能力的重要指标。物体在空气中达到匀速下落状态时，空气对物体的阻力与物体自身重力等值。而该阻力通常与下落速度、迎风面积正相关，因此尽可能的增大迎风面积是降低终端速度的关键。”
“为了深入理解和分析这一现象，我们通过流体力学数值计算模拟了这一下落过程，并建立了相应的理论模型，系统地揭示了旋落过程的运动机理，并成功预测了不同结构的终端速度，与数值模拟、下落实验结果吻合良好。此外，耦合空气作用力的旋转动力稳定性模型为此类飞行器的旋转下落稳定性提供了理论基础，为此类微飞行器设计提供了指导方案。同时，我们的合作者通过粒子图像测速法（PIV），获得了三维飞行器旋落状态下高精度的流场图，印证了我们的理论预测。”