Yazılar

Kanatlı Mikroçip Şimdiye Kadarki En Küçük İnsan Yapımı Uçan Yapıdır – Bir Kum Tanesi Boyutu

Bir kum tanesi büyüklüğünde, dağılmış mikro uçucular hava kirliliğini, hava yoluyla bulaşan hastalıkları ve çevresel kontaminasyonu izleyebilir.

Northwestern Üniversitesi mühendisleri elektronik mikroçiplere yeni bir yetenek ekledi: uçuş.

Yaklaşık bir kum tanesi büyüklüğünde olan yeni uçan mikroçip (veya “mikro pilot”) bir motora veya motora sahip değildir. Bunun yerine, bir akçaağaç ağacının pervane tohumu gibi, rüzgarda uçar ve havada bir helikopter gibi dönerek yere doğru döner.

Mühendisler, akçaağaçları ve rüzgarla dağılan diğer tohum türlerini inceleyerek mikro uçağın aerodinamiğini optimize ederek yüksek bir irtifaya düştüğünde kontrollü bir şekilde yavaş bir hızda düşmesini sağladı. Bu davranış, uçuşunu stabilize eder, geniş bir alana yayılmasını sağlar ve hava ile etkileşim süresini artırarak hava kirliliğini ve hava kaynaklı hastalıkları izlemek için ideal hale getirir.

Şimdiye kadarki en küçük insan yapımı uçan yapılar olan bu mikro uçucular, sensörler, güç kaynakları, kablosuz iletişim için antenler ve veri depolamak için gömülü bellek dahil olmak üzere ultra minyatür teknoloji ile paketlenebilir.

Araştırma, Nature dergisinin 23 Eylül 2021 sayısının kapağında yer alıyor .

Northwestern’den John, “Amacımız, bu yeteneklerin son derece işlevsel, minyatür elektronik cihazları kontaminasyon izleme, nüfus gözetimi veya hastalık takibi için ortamı algılamak için dağıtmamıza izin vereceği fikriyle, küçük ölçekli elektronik sistemlere kanatlı uçuş eklemekti” dedi. Cihazın geliştirilmesine öncülük eden A. Rogers. “Bunu biyolojik dünyadan ilham alan fikirleri kullanarak yapabildik. Milyarlarca yıl boyunca doğa, tohumları çok sofistike aerodinamiklerle tasarladı. Bu tasarım konseptlerini ödünç aldık, uyarladık ve elektronik devre platformlarına uyguladık.”

Biyoelektronikte bir öncü olan Rogers, McCormick Mühendislik Okulu ve Feinberg Tıp Okulu’nda Louis Simpson ve Kimberly Querrey Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Biyomedikal Mühendisliği ve Nörolojik Cerrahi Profesörü ve Querrey Simpson Biyoelektronik Enstitüsü’nün direktörüdür. McCormick’te Jan ve Marcia Achenbach Makine Mühendisliği Profesörü Yonggang Huang, çalışmanın teorik çalışmasına öncülük etti.

‘Doğayı yendiğimizi düşünüyoruz’


Çoğu insan, bir akçaağaç yaprağının dönen pervane tohumunun havada döndüğünü ve yavaşça kaldırıma düştüğünü izlemiştir. Bu, doğanın çeşitli bitkilerin hayatta kalmasını artırmak için zekice, sofistike yöntemler geliştirdiğinin sadece bir örneğidir. Tohumların geniş bir alana yayılmasını sağlayarak, aksi takdirde yerleşik bitkiler ve ağaçlar, geniş alanları doldurmak için türlerini çok uzak mesafelere yayabilir.

Rogers, “Evrim, birçok tohum sınıfının sergilediği karmaşık aerodinamik özelliklerin itici gücüydü” dedi. “Bu biyolojik yapılar, mümkün olan en uzun süre boyunca rüzgar desenleriyle etkileşime girebilmeleri için yavaş ve kontrollü bir şekilde düşecek şekilde tasarlanmıştır. Bu özellik, tamamen pasif, hava kaynaklı mekanizmalar aracılığıyla yanal dağılımı en üst düzeye çıkarır.”

Northwestern ekibi, mikro uçucuları tasarlamak için birkaç bitki tohumunun aerodinamiğini inceledi ve en doğrudan ilhamını yıldız şeklinde tohumlara sahip çiçekli bir asma olan tristellateia bitkisinden aldı. Tristellateia tohumları, rüzgarın yavaş, dönen bir dönüşle düşmesini sağlayan kanatlı kanatlara sahiptir.

Rogers ve ekibi, bir tristellateia tohumu üzerindeki kanatlarla benzer şekil ve açılara optimize edilmiş, biri üç kanatlı da dahil olmak üzere birçok farklı türde mikro uçucu tasarladı ve üretti. En ideal yapıyı tam olarak belirlemek için Huang, tristellateia tohumunun yavaş, kontrollü dönüşünü taklit etmek için havanın cihazın etrafında nasıl aktığının tam ölçekli hesaplama modellemesine öncülük etti.

Bu modellemeye dayanarak, Rogers’ın grubu daha sonra, Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nde makine mühendisliği doçenti olan Leonardo Chamorro ile işbirliklerinde akış modellerini görüntülemek ve ölçmek için gelişmiş yöntemler kullanarak laboratuvarda yapılar inşa etti ve test etti.

Ortaya çıkan yapılar, bazıları doğaya parasının karşılığını verebilecek özelliklere sahip çok çeşitli boyut ve şekillerde oluşturulabilir.

Rogers, “Doğayı yendiğimizi düşünüyoruz” dedi. “En azından dar anlamda, bitkilerden veya ağaçlardan görebileceğiniz eşdeğer tohumlardan daha kararlı yörüngelerle ve daha yavaş son hızlarda düşen yapılar inşa edebildik. Ayrıca bu helikopter uçan yapıları doğada bulunanlardan çok daha küçük boyutlarda inşa edebildik. Bu önemli çünkü cihaz minyatürleştirme, sensörlerin, radyoların, pillerin ve diğer bileşenlerin daha da küçük boyutlarda oluşturulabildiği elektronik endüstrisindeki hakim gelişme yörüngesini temsil ediyor.”

Cihazları üretmek için Rogers’ın ekibi başka bir tanıdık yenilikten ilham aldı: bir çocuk kitabı.

Ekibi önce düz, düzlemsel geometrilerde uçan yapıların öncülerini üretti. Ardından, bu öncüleri hafifçe gerilmiş kauçuk bir alt tabaka üzerine yapıştırdılar. Gerilmiş alt tabaka gevşetildiğinde, kanatların kesin olarak tanımlanmış üç boyutlu formlara “açılmasına” neden olan kontrollü bir bükülme süreci meydana gelir.

Rogers, “2B öncüllerden 3B yapılar inşa etme stratejisi güçlü çünkü mevcut tüm yarı iletken cihazlar düzlemsel yerleşimlerde inşa edildi” dedi. “Böylece, tamamen standart, düz, çip benzeri tasarımlar yapmak için tüketici elektroniği endüstrisi tarafından kullanılan en gelişmiş malzemeleri ve üretim yöntemlerini kullanabiliriz. Ardından, onları bir pop-up kitaptakine benzer ilkelerle 3 boyutlu uçan şekillere dönüştürüyoruz.”

vaat ile paketlenmiş
Mikro el ilanları iki bölümden oluşur: milimetre boyutunda elektronik fonksiyonel bileşenler ve kanatları. Mikro uçucu havada düşerken, kanatları hava ile etkileşime girerek yavaş, sabit bir dönme hareketi oluşturur. Elektronik aksamın ağırlığı, kontrolü kaybetmesini ve düzensiz bir şekilde yere düşmesini önlemek için mikro uçağın merkezine alçak bir şekilde dağıtılır.

Gösterilen örneklerde, Rogers’ın ekibi sensörler, ortam enerjisini toplayabilen bir güç kaynağı, bellek deposu ve verileri kablosuz olarak bir akıllı telefona, tablete veya bilgisayara aktarabilen bir anten içeriyordu.

Laboratuarda, Rogers’ın grubu, havadaki partikülleri tespit etmek için tüm bu unsurlarla bir cihaz donattı. Başka bir örnekte, su kalitesini izlemek için kullanılabilecek pH sensörlerini ve farklı dalga boylarında güneşe maruz kalmayı ölçmek için fotodedektörleri dahil ettiler.

Rogers, kimyasal bir dökülmeden sonra çevresel iyileştirme çabalarını izlemek veya çeşitli irtifalarda hava kirliliği seviyelerini izlemek için çok sayıda cihazın bir uçaktan veya binadan düşürülebileceğini ve geniş çapta dağıtılabileceğini hayal ediyor.

Rogers, “Çoğu izleme teknolojisi, uzamsal bir ilgi alanı boyunca az sayıda konumda yerel olarak veri toplamak için tasarlanmış toplu enstrümantasyon içerir” dedi. “Kablosuz bir ağ oluşturmak için geniş alanlara yüksek bir uzaysal yoğunlukta dağıtılabilen çok sayıda minyatür sensör öngörüyoruz.”

Kaybolma eylemi
Peki ya tüm elektronik çöpler? Rogers’ın bunun için bir planı var. Laboratuvarı , biyolojik olarak emilebilir kalp pilleri üzerinde yapılan son çalışmalarda gösterildiği gibi, artık ihtiyaç duyulmadığında suda zararsız bir şekilde çözünebilen geçici elektronikler geliştiriyor . Şimdi ekibi, zamanla yeraltı suyunda doğal olarak bozunan ve kaybolan mikro uçucular oluşturmak için aynı malzemeleri ve teknikleri kullanıyor.

Roger, “Bu tür fiziksel olarak geçici elektronik sistemleri, suya maruz kaldığında doğal olarak çevreye zarar vermeyen son ürünlere dönüşen bozunabilir polimerler, kompostlanabilir iletkenler ve çözülebilir entegre devre yongaları kullanarak üretiyoruz” dedi. “Büyük mikro uçucu koleksiyonlarının kurtarılmasının zor olabileceğini biliyoruz. Bu endişeyi gidermek için, bu çevresel olarak emilebilir versiyonlar doğal ve zararsız bir şekilde çözülür.”

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Başa dön tuşu