微小的電子傳單可以像微風中的種子一樣漂浮以監(jiān)測環(huán)境

當樹木和植物散播種子時，它們通常依靠風將它們帶到新的牧場。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，有的像直升機一樣在微風中旋轉。對于科學家來說，這些空氣動力學為新型機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備，未來可以漂浮到大氣中執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測等任務。

這些傳單的尺寸從大約 40 毫米(最大)到 0.4 毫米(最小)不等，它們不會靠自己的力量移動。相反，它們的設計目的是在空氣中停留盡可能長的時間，并由其仿生空氣動力學設計提供支持。

由西北大學工程師領導的國際科學家團隊通過物理原型和計算機模擬開發(fā)了它們的形狀。他們最好的結果是一個微小的飛行器，它在落到地面時以 28 厘米/秒的最大速度悠閑地移動(這種測量稱為終端速度)。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。

“在飛行動力學方面，我們可以比種子做得更好，這令人驚訝，”領導飛行器開發(fā)的西北大學材料科學與工程教授約翰羅杰斯告訴The Verge。他指出，這可能是因為大自然必須優(yōu)化種子的設計以平衡許多不同的考慮因素，而科學家們可以只關注幾個：有效載荷和飛行時間。

正是這些有效載荷使這些傳單與眾不同。羅杰斯和他的團隊開發(fā)了許多不同的原型，包括長約 40 毫米的大型裝置，這些裝置配備了無電池電子設備以監(jiān)測太陽光照射。兩毫米寬的較小模型由特殊材料制成，可根據環(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，它們收集數據的能力意味著這些傳單可以用作環(huán)境監(jiān)測工具。他設想可以通過飛機或無人機分散單位云，以執(zhí)行諸如監(jiān)測化學品泄漏或大氣污染之類的任務。飛行員會在漂浮到地面或著陸時收集數據。對于較大的裝置，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據。

但是，盡管羅杰斯對傳單提出了雄心勃勃的愿景，但在設計的實用性、經濟性和環(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)測技術工作的高級科學家 Núria Castell 告訴The Verge，以羅杰斯團隊設想的方式收集數據將限制這項技術的潛在應用。

“我在想，我們真的需要這個嗎?這將如何運作?”卡斯特爾說。她指出，對于她自己的研究——測量城市的空氣污染——傳單提供的問題多于解決方案。它們太小，無法攜帶敏感設備;他們只在到達地面的途中短暫地從相關海拔高度收集數據;并且它們需要一次又一次地分散以在更長的時間內捕獲數據。Castell 說，這些都是使用現有技術最好解決的問題。“即使只是一周，你需要多少這些 [傳單] 來測量數據?”

卡斯特爾說，設計傳單的工程和物理研究值得稱贊。她補充說，雖然它們可能不適用于常規(guī)數據收集，但它們在緊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。“我說的是非常嚴重的事件，你需要立即做出反應。”在這種情況下，無人機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。

傳單的另一個潛在問題是，作為一次性物品，它們可能會產生廢物。但羅杰斯表示，他和他的團隊一直致力于通過將傳單與新型可溶解電子設備配對來消除這種情況，從而最大限度地減少對環(huán)境的影響。“我們非常深入地考慮了這個問題，”他說。“我們將很快發(fā)布一些演示，其中所有電子設備都會在一段時間內消失并被雨水沖走。”

不過，最終傳單仍然是初步設計。羅杰斯說，制造技術已經很成熟，但傳單本身只在受控環(huán)境中進行過測試，而沒有在野外進行大規(guī)模部署。“現在還為時尚早，”他說。“但與此同時，我們非常深入地思考了哪些想法可以擴展，哪些不能擴展，并且我們專注于可以擴展的概念和實際相關的想法。我們將尋找合作伙伴，將這項技術帶出實驗室。”