嚴(yán)毅梅

會(huì)飛的芯片

芯片可以飛起來(lái)嗎？

美國(guó)西北大學(xué)的研究人員正在為此而努力。他們研制的電子微芯片只有一粒沙子的大小，本身沒(méi)有飛行動(dòng)力系統(tǒng)，但是它可以像楓樹(shù)種子那樣旋轉(zhuǎn)著飄落，儼然是一架小小的直升機(jī)。研究人員是通過(guò)研究楓樹(shù)和其他類(lèi)型的風(fēng)散種子，優(yōu)化了這種微芯片的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，確保它能以一種可控的方式緩慢下降。這種緩慢降落的方式既能穩(wěn)定它的飛行方向，又能延遲它在空中的停留時(shí)間。這讓它非常有希望擔(dān)負(fù)起監(jiān)測(cè)空氣污染情況和監(jiān)測(cè)空氣傳播疾病源頭的重要使命。

作為有史以來(lái)最小的飛行器，它還可以搭載包括傳感器、電源、無(wú)線通信天線，以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的嵌入式存儲(chǔ)器等在內(nèi)的多種設(shè)備。

研究人員說(shuō)：“我們的目標(biāo)是為這種小規(guī)模的電子系統(tǒng)增加飛翼，讓它們具有飛行能力，這樣就可以監(jiān)測(cè)環(huán)境污染、監(jiān)測(cè)人口或監(jiān)控病情。我們的靈感來(lái)自于生物世界的種子，它們?cè)跀?shù)十億年的過(guò)程中，進(jìn)化出了復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。我們借用了這些特殊結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用于電子電路平臺(tái)?！?/p>

飛行器結(jié)構(gòu)可與自然媲美

楓樹(shù)種子在空中旋轉(zhuǎn)著輕輕落在人行道上，很多人都目睹過(guò)這樣的情景。這只是一個(gè)例子，說(shuō)明大自然進(jìn)化出了巧妙、復(fù)雜的方法來(lái)提高各種植物的存活率，確保種子廣泛傳播，原本定居的植物可以“遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)，安家落戶”。它們進(jìn)化出利用復(fù)雜空氣動(dòng)力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)，可謂造化天成。研究人員說(shuō)：“這些生物結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成以一種可控的方式緩慢下降，憑借這種方式它們可以盡量延長(zhǎng)與風(fēng)相互作用的時(shí)間，以便飛得更遠(yuǎn)更久?！?/p>

為了設(shè)計(jì)這種微型飛行器，美國(guó)西北大學(xué)的研究小組探究了許多植物種子的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，最直接的靈感來(lái)自于三星藤，這是一種有星形種子的開(kāi)花藤蔓植物。星形種子有葉片狀的“翅膀”，可以隨風(fēng)慢慢旋轉(zhuǎn)。

為了確定最理想的結(jié)構(gòu)，研究人員設(shè)計(jì)了全尺寸的計(jì)算模型，又模擬周?chē)目諝饬鲃?dòng)，并模擬三星藤種子緩慢、可控地旋轉(zhuǎn)。他們還利用先進(jìn)的成像和定量流動(dòng)模式方法，在實(shí)驗(yàn)室中建構(gòu)并測(cè)試了各種大小和形狀的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的性質(zhì)甚至能跟自然界種子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)媲美。

微芯片前景廣闊

微芯片由兩部分組成：毫米大小的電子元件和機(jī)翼。當(dāng)微芯片下落時(shí)，翅膀跟空氣相互作用從而形成一個(gè)緩慢而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電子元件的重心則位于微芯片中心的較低位置，這樣能防止它失去控制而墜落。

在演示的例子中，研究團(tuán)隊(duì)使用的設(shè)備包括傳感器、可以收集環(huán)境能量的電源、存儲(chǔ)器，以及可以將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)、平板電腦或臺(tái)式電腦上的天線。在實(shí)驗(yàn)室里，研究團(tuán)隊(duì)用這些電子元件組裝成一個(gè)設(shè)備，用它檢測(cè)空氣中的微粒。在另一個(gè)研究中，他們使用了pH傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)水質(zhì)，并使用光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量不同波長(zhǎng)的陽(yáng)光照射。研究人員設(shè)想，借助飛機(jī)或從高層建筑上大量投放這些設(shè)備，將能大范圍監(jiān)測(cè)化學(xué)品泄漏后的環(huán)境修復(fù)工作，或跟蹤監(jiān)測(cè)大氣層不同高度的污染水平。

可消解的微芯片

微芯片產(chǎn)生的電子垃圾怎么處理？

對(duì)此，研究人員已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了瞬態(tài)電子元件，這些電子元件可以無(wú)害地溶解在水中。現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)正在使用相同的材料和技術(shù)來(lái)建造微芯片，它們能隨著時(shí)間的推移在地下水中自然降解和消失，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

研究人員說(shuō)：“我們使用可降解的聚合物、可堆肥的導(dǎo)體和可溶解的集成電子芯片來(lái)制造這種瞬態(tài)電子系統(tǒng)，暴露在水中時(shí)它們會(huì)自然消失，成為對(duì)環(huán)境無(wú)害的最終產(chǎn)品?！?/p>

將來(lái)，隨風(fēng)飄搖的種子里，可能有一片就是執(zhí)行任務(wù)的、會(huì)飛的電子微芯片。