Технології
Технології

Схожі на насіння датчики покрутилися і зафіксували забруднене повітря

Натхнені плодами клена датчики покрутилися у повітрі, виявили забруднення важкими металами та зможуть перенести на собі невеликі електронні елементи. Такі пасивні мікролітальні пристрої американські інженери виготовили подібно тому, як створюються мікросхеми — нанесли полімер з ефектом пам'яті форми на гумоподібний матеріал, а затим створили необхідний пористий малюнок за допомогою літографії. Так зразки скрутилися у потрібну тривимірну форму, ефективно перетворювали турбулентний потік на ламінарний, і починали обертатися для кращої стабільності польоту. Створені вченими крилатки потрапили на обкладинку журналу Nature.

Створений прототип. Bong Hoon Kim et al. / Nature, 2021

Створений прототип. Bong Hoon Kim et al. / Nature, 2021

Навіщо нам такі пасивні датчики?

Більшість рослин розмножуються за допомогою надзвичайно широкого спектра пасивних механізмів, а саме за допомогою пристосованого для поширення вітром насіння. Щоб розширити свій ареал або знайти більш сприятливі умови для життя, вони обзаводяться гачками, крильцями або зубчиками. Особлива геометрія збільшує їм динамічну стабільність і через збільшення опору повітря під час вільного падіння дає змогу приземлятися після понад як сотню кілометрів польоту. За взаємодією з потоками повітря їх можна поділити на чотири категорії: парашути, планери, вертольотики і спінери. Використання подібних аеродинамічних переваг вимагає міцних і надійних геометричних конструкцій, що певним чином направляють потік навколишнього повітря, а еволюція більшості покритонасінних рослин демонструє, що саме льотні характеристики дійсно були параметром пристосованості. І оскільки їхній політ вимагає лише правильної геометрії, вони можуть стати механічним аналогом для динамічних мереж датчиків, яким потрібний широкий діапазон поширення і при цьому майже відсутня потреба у джерелах енергії.

Розмір прототипа порівняно з розмірами сонечка. Northwestern University 

Розмір прототипа порівняно з розмірами сонечка. Northwestern University

Мережі сенсорів потрібні сільському господарству для моніторингу, наприклад, забруднення ґрунтів, вони можуть допомогти досліджувати стан води і повітря, а також стати основою для інтернету речей. Тому у цій роботі вчені спробували використати спосіб розподілу компонентів для таких мереж, натхнений плодами лози Tristellateia. І хоча вони зосереджувалися у більшості на розумінні аеродинамічних характеристик подібних літальних апаратів різних з різними параметрами виготовлення, один з них, допоміг стежити за якістю повітря у приміщенні, несучи на собі просту схему для виявлення шкідливих частинок в повітрі.

Плоди діптерокарпуса Dipterocarpus / freepik

Плоди діптерокарпуса Dipterocarpus / freepik

Які плоди запускали вчені?

Кружляння кленових крилаток у повітрі, які ви у дитинстві могли запускати як вертольотики, є всього одним прикладом подібного ефективного механізму для заселення широких територій певним видом рослин. Для своїх «вертольотиків» інженери використовували деревну лозу Tristellateia, що має схоже на зірочки насіння із лопатями, які ловлять вітер і падають з повільним обертанням. Щоб визначити найбільш ідеальну структуру, вчені використовували комп'ютерне моделювання того, як повітря обтікає насінину, імітуючи повільне контрольоване обертання. Затим ці дані використали для виробництва двомірних листівок в мікромасштабі (менше міліметра), міліметровому і макромасштабі (більше міліметра). Їх виготовляли за допомогою планарної технології, яка використовується в напівпровідниковій промисловості.

Шар полімеру з ефектом пам'яті форми, що повертається до своєї вихідної форми при застосуванні певного стимулу, поєднали з попередньо деформованим еластомером (гумоподібний матеріал). Так вдалося досягти складання у тривимірну форму: за зняття напруги, згини у певних місцях провокували складання у форму, яку фіксував ефект пам'яті форми. Дизайн і вибір місць з'єднання визначають загальну тривимірну архітектуру, а величина зняття напруги визначає ступінь тривимірності, який якісно визначається відношенням висоти структур до їхніх бічних розмірів. Важливо відзначити, що завдяки такому методу виробництва можна створити сотні подібних вертольотиків з різними параметрами за один виробничий процес.

Створені крилатки різної форми. Bong Hoon Kim et al. / Nature, 2021

Створені крилатки різної форми. Bong Hoon Kim et al. / Nature, 2021

Як вони політали?

Отримані конструкції складаються з двох частин: міліметрових електронних функціональних компонентів і крил-лопатей. Коли така крилатка падає з висоти, її крила взаємодіють з повітрям, створюючи повільний і стабільний обертальний рух. Вага електроніки розподіляється по центру пристрою, щоб він не втратив баланс і не впав на землю. У продемонстрованих прикладах команда інженерів додавала сенсори, джерело живлення, яке може збирати енергію з навколишнього середовища, пам'ять і антену, яка може передавати дані на смартфон, планшет або комп'ютер через WiFi. Також вони додали датчики pH, які можна використовувати для контролю якості води, і фотодетектори для вимірювання сонячного світла на різних довжинах хвиль. На думку дослідників, ці датчики можна буквально розпилювати над певною територією, що дасть змогу створити або мережу пов'язаних між собою датчиків для інтернету речей, або мережу сенсорів для моніторингу стану навколишнього середовища. Щоб позбутися електронного сміття, яке може з'явитися внаслідок розгортання подібних мереж, вчені планують створити подібні пристрої з біорозкладних матеріалів, тим паче, що шаблон необхідної геометрії у них вже є як результат цього дослідження.

Геометрія крилаток не вперше потрапляє у сферу інтересів інженерів. Нещодавно наші вертольотики з дитинства допомогли пришвидшити політ самообертального пристрою та пережити йому політ з балкона та літака. З ним до речі, інженери пропонують доставляти датчики у важкодоступні місця.