最近西北大學(xué)的工程師們發(fā)明了人類迄今為止制造出的最小飛行器——飛行芯片。

飛行芯片的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自開(kāi)花藤本植物三星葵的星形種子，它的翅膀能夠像蒲公英種子一樣實(shí)現(xiàn)無(wú)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離飛行。

整個(gè)"電子飛行芯片"大約只有一粒沙子的大小，卻搭載了非常強(qiáng)大的電子功能部件，可用于監(jiān)測(cè)空氣污染和下降途中的任何空氣傳播疾病。

這一成果作為封面，刊登在9月22的《自然》雜志上，引發(fā)了大量國(guó)際媒體的報(bào)道。

課題由約翰羅杰斯研究小組主導(dǎo)，與西北大學(xué)奎里·辛普森生物電子研究所、伊利諾伊大學(xué)、中國(guó)清華大學(xué)、韓國(guó)松實(shí)大學(xué)和中國(guó)華中科技大學(xué)全球科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作完成。

下面就讓我們來(lái)詳細(xì)看看，“飛行芯片”到底厲害在哪？

像沙子飄在空中

這一微芯片就像一粒沙子一樣小，由傳感器，存儲(chǔ)器，從自然環(huán)境中收集能量的電源，將細(xì)節(jié)無(wú)線傳輸?shù)叫」ぞ叩奶炀€和pH傳感器組成。

研究人員表示，當(dāng)飛行芯片飄在空氣中時(shí)，它可以用來(lái)監(jiān)測(cè)人口，空氣污染和空氣傳播的疾病。飛行芯片非常輕巧，可以比無(wú)人機(jī)等現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備更有效地工作。

飛行芯片還具有加載微型技術(shù)的能力，如傳感器，電源，用于無(wú)線通信的天線和嵌入式存儲(chǔ)器，能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并傳回計(jì)算機(jī)或手機(jī)。

傳統(tǒng)微飛行器的設(shè)計(jì)通?；谥鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)模塊，模仿昆蟲(chóng)或鳥(niǎo)類等使用撲翼、旋翼等方式使微飛行器實(shí)現(xiàn)飛行。

這類主動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以小型化集成，無(wú)法避免產(chǎn)生噪音，隱蔽性較差。此外，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式能耗極大，難以完成長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離巡航。

為了讓芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力飛行工程師參考了自然界中種子靠風(fēng)傳播的動(dòng)力學(xué)。

以風(fēng)傳植物種子作為靈感，采用力學(xué)引導(dǎo)屈曲自組裝的方式設(shè)計(jì)了微飛行器的三維結(jié)構(gòu)，并在這種微小的結(jié)構(gòu)上成功的集成了復(fù)雜的電子電路系統(tǒng)，可依據(jù)需要完成諸如空氣污染物大范圍、長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。

圖為微飛行器下落機(jī)理與旋落穩(wěn)定性分析

該類飛行器在空氣中以極小的速度下落，能夠長(zhǎng)時(shí)間滯空。其下落速度約0.28m/s，約為雪花速度的1/8。

仿生植物種子的三維結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步減緩下落速度，并使其飛行狀態(tài)更加穩(wěn)定。該工作主要致力于理解這類飛行器的旋轉(zhuǎn)下落機(jī)理，通過(guò)數(shù)值仿真結(jié)合理論模型分析解析了其背后的基本物理原理，建立了下落速度與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的物理模型，為將來(lái)該類飛行器的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)思路。

研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種受兒童立體書(shū)啟發(fā)的制作工藝。

他們創(chuàng)造了平面的飛行結(jié)構(gòu)，然后將其粘合到稍微拉伸的橡膠基材上，當(dāng)基材松弛時(shí)，機(jī)翼便“彈出”形成三維形狀。

不過(guò)，大量的飛行芯片難以回收，為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好，羅杰斯團(tuán)隊(duì)使用了可以無(wú)害地溶解在水中的材料和技術(shù)。

羅杰斯表示："我們使用可降解的聚合物，可制成堆肥的導(dǎo)體和可溶解的集成電路芯片制造這種物理瞬態(tài)電子系統(tǒng)，當(dāng)暴露于水中時(shí)，這些芯片會(huì)自然降解成無(wú)害的最終產(chǎn)物。"

隨之而來(lái)的陰謀論

在這一令人興奮成果發(fā)布不久之后，部分媒體也乘機(jī)賺取眼球，對(duì)“會(huì)飛的芯片”可能引發(fā)的陰謀論做出了預(yù)測(cè)，畢竟民眾對(duì)新科技的看法往往是不夠理性的。

作家喬·奎南（Joe Queenan）在《華爾街日?qǐng)?bào)》發(fā)文稱，陰謀論者會(huì)認(rèn)為政府機(jī)構(gòu)將利用飛行微芯片來(lái)監(jiān)視公民。

畢竟有不少人已經(jīng)確信微芯片被植入在新冠疫苗、信用卡甚至檸檬蛋白酥皮中了。

那么這些人也有理由認(rèn)為，政府正在利用飛行微芯片來(lái)監(jiān)視它們，或者使用飛行微芯片對(duì)他們的后院進(jìn)行地毯式轟炸，或者飄到他們的煙囪里，看看他們與誰(shuí)有聯(lián)系，是否在納稅，以及他們是否有計(jì)劃奪取薩姆特堡。

以上荒謬的想法也許僅僅是喬·奎南對(duì)反科學(xué)陰謀論者的諷刺，不過(guò)他也同時(shí)提到，即使我們不是這樣的偏執(zhí)狂，也可能懷著惶恐的心情看待能夠飛行、收集數(shù)據(jù)的微芯片。

無(wú)處不在的眼睛《華爾街日?qǐng)?bào)》配圖

雖然這項(xiàng)發(fā)明無(wú)疑是偉大的，但是一旦飛行芯片落入有心人之手，它們就可能被用來(lái)監(jiān)視商務(wù)會(huì)議、軍事戰(zhàn)略會(huì)議，甚至好萊塢制片廠。

當(dāng)然從實(shí)用的角度去看，這一技術(shù)的確具有廣闊的應(yīng)用空間。羅杰斯研究小組在九月份的《自然》雜志上寫(xiě)道："大型小型無(wú)線電子設(shè)備的分布式集合可能構(gòu)成未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)，人口監(jiān)測(cè)，疾病管理和其他需要覆蓋廣闊空間尺度的應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)?！?/strong>

柔性電子之父，三院院士John A. Rogers

約翰羅杰斯John A. Rogers教授是國(guó)際著名材料學(xué)家、物理學(xué)家及化學(xué)家，現(xiàn)為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)國(guó)家工程院、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院三院院士。

他的主要研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)電子器件材料及制造。近十年來(lái)在仿生電子器件的設(shè)計(jì)與制造、可穿戴生物醫(yī)學(xué)電子器件等領(lǐng)域始終走在最前端，取得眾多研究成果，成為業(yè)界領(lǐng)軍人物。

他開(kāi)創(chuàng)的柔性電子技術(shù)研究開(kāi)啟了傳統(tǒng)硬質(zhì)無(wú)機(jī)電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)從”硬”到”柔”的跨越，對(duì)于推動(dòng)柔性電子技術(shù)成為融合數(shù)字、物理和生物世界的變革性力量，改變未來(lái)世界生活形態(tài)的可能性都具有非凡的意義。

羅杰斯教授于1967年出生于美國(guó)，1989年本科畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的化學(xué)/物理專業(yè)，1992年收獲MIT(麻省理工學(xué)院)的物理和化學(xué)碩士學(xué)位，1995年博士畢業(yè)于MIT的物理化學(xué)專業(yè)，博士期間參與創(chuàng)辦了Active Impulse Systems 公司。

他于2016年9月加入美國(guó)西北大學(xué)，成為材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)械工程、電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)、化學(xué)以及神經(jīng)外科Louis Simpson and Kimberly Querrey講座教授，同時(shí)期開(kāi)始擔(dān)任西北大學(xué)新建立的生物集成電子中心的教授兼主任。

羅杰斯教授幾十年來(lái)在柔性電子器件研究方面建樹(shù)頗豐，其微流體光纖(2004年)、可拉伸硅(2006年)、生物可降解電子器件(2010年)、以及轉(zhuǎn)換效率破紀(jì)錄的太陽(yáng)能電池(2012年)先后4次入選麻省理工技術(shù)評(píng)論年度十大技術(shù)突破。

飛行芯片與蒲公英種子

羅杰斯課題組成員最主要來(lái)自美國(guó)、中國(guó)和韓國(guó)，尤其博士后成員大部分來(lái)自韓國(guó)。

飛行芯片的研究是羅杰斯課題組與西北大學(xué)奎里·辛普森生物電子研究所、伊利諾伊大學(xué)、中國(guó)清華大學(xué)、韓國(guó)松實(shí)大學(xué)和中國(guó)華中科技大學(xué)全球科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作完成。

此次在自然雜志發(fā)表的論文由華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院厲侃教授與韓國(guó)崇實(shí)大學(xué)助理教授金奉勛（Bong Hoon Kim）、美國(guó)西北大學(xué)博士后金鎮(zhèn)泰（Jin-Tae Kim）、樸尹錫（Yoon seok Park）為共同第一作者。

美國(guó)西北大學(xué)John Rogers院士、黃永剛院士、清華大學(xué)張一慧教授和美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校Leonardo Chamorro教授為本文共同通訊作者。

突破生活形態(tài)的柔性生醫(yī)系統(tǒng)

羅杰斯教授課題組目前在仿生電子器件的設(shè)計(jì)與制造、可穿戴生物醫(yī)學(xué)電子器件等研究領(lǐng)域走在世界最前沿。

同時(shí)在納米和分子尺度制造的基礎(chǔ)和應(yīng)用方面也做出了重大的貢獻(xiàn)，對(duì)非常規(guī)電子和光子設(shè)備的材料和圖案化技術(shù)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用，特別是在生物集成和生物啟發(fā)系統(tǒng)的成就尤為突出。

瀏覽羅杰斯教授課題組的專屬頁(yè)面可以發(fā)現(xiàn)不少令人耳目一新的柔性電子技術(shù)。

比如用于新生兒重癥監(jiān)護(hù)中生命體征無(wú)線監(jiān)測(cè)的類皮膚設(shè)備。

這種類皮膚設(shè)備無(wú)電池、“表皮”電子設(shè)備具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸、傳感器內(nèi)分析和雙節(jié)點(diǎn)功能，可實(shí)現(xiàn)完整生命體征信息的無(wú)線臨床級(jí)測(cè)量。與傳統(tǒng)的硬接線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，這些技術(shù)大大降低了新生兒嬌嫩皮膚受傷的風(fēng)險(xiǎn)，消除了對(duì)嬰兒自然運(yùn)動(dòng)的限制，促進(jìn)了親子之間的皮膚接觸和親子關(guān)系。

還有這款皮膚集成柔性電子系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可作為虛擬現(xiàn)實(shí)的觸覺(jué)接口。

與眼睛和耳朵相比，皮膚是 VR/AR 技術(shù)相對(duì)未開(kāi)發(fā)的一個(gè)接口。它可以極大地增強(qiáng)虛擬體驗(yàn)。羅杰斯團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種無(wú)線、無(wú)電池的電子系統(tǒng)平臺(tái)和觸覺(jué)界面，可輕柔地貼在皮膚上，通過(guò)時(shí)空可編程的機(jī)械振動(dòng)模式傳達(dá)信息。

皮膚可以為身體提供交流和感官輸入，由此產(chǎn)生的表皮 VR 系統(tǒng)將創(chuàng)造許多新機(jī)會(huì)。比如社交媒體/個(gè)人參與、游戲/娛樂(lè)和假肢控制/反饋等。

柔性電子被認(rèn)為是電子行業(yè)的未來(lái)，因?yàn)槿嵝噪娮赢a(chǎn)品可以彎曲、伸展，有時(shí)甚至還是可穿戴的，給出人類的生命體征數(shù)據(jù)，柔性電子技術(shù)已經(jīng)成為美國(guó)政府研究的重要課題，許多研究機(jī)構(gòu)和公司都投入資金研究柔性材料。

從更廣闊的全球柔性電子市場(chǎng)上來(lái)看，柔性電子作為最前沿的科技，將不可逆轉(zhuǎn)地在未來(lái)幾年呈飛速發(fā)展勢(shì)態(tài)。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，柔性電子是成為未來(lái)五年增速最快的行業(yè)之一，至2025年預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3049.4億美元，年化復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到驚人的144.71%。

這些突破性的創(chuàng)新有望融合數(shù)字、物理和生物世界的變革性力量，極有可能改變未來(lái)世界的生活形態(tài)。