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风力传播种子激发飞行微装置研发灵感 环境监测再添一猛将

  植物种子有各种形状和大小,其中降落伞形、扑翼或飞旋形、直升机形种子可利用风力传播,散播遗传物质扩大种群繁殖。这些种子迎风而起、随风而落,简单的模式其实历经千万年的自然选择演化——能在无主动驱动力的情况下“与风同行”几公里甚至更远的距离,其中包含着特殊的几何结构与精妙的力学设计。
 
  受风力传播种子的启发,美国西北大学科学家在内的研究团队研发了一种飞行装置,未来可应用于环境监测或通信。这种飞行装置可以携带有源电子载荷,从而可在一定范围建立无电池无线设备。该项成果在英国杂志《自然》上发表。
 
  风力传播种子给予微飞行器滞空能力提升突破的机会,即利用三维结构保持稳定性。这种精确的力学分析,能让微电子器件在飞行和下落中都不会损坏,保证了其未来集成电子系统在空中工作的能力。
 
  该飞行装置大小包括从小于1毫米的微型到大于1毫米的大型。研究人员通过多次模拟和风洞实验,改变包括飞行器直径、结构和翼型等在内的设计参数,以此改变空气动力学影响。此外,研究人员仿照直升机型和飞旋形种子,在旋转过程中加强了装置的稳定性。这些细小设计可以集成简单电子器件,其中包含检测空气颗粒物的电路。
 
  该微型飞行器优势突出,作用多样。例如,驱动微飞行器在空气中具有良好滞空性的,可以在飞行器上集成电子电路功能模块,从而实现空气污染物监测等功能。除此之外,它还可以像植物种子一样广泛播撒,有望成为物联网的节点,构建具有空间深度与时间广度的低成本实时监测系统,助力未来疫情监测与病毒防控。值得一提的是,该类微飞行器在空气中下落速度约0.28m/s,非常缓慢,只有雪花平均下落速度的1/8左右,缓慢下降速度和下落模式为其提供了较好的飞行稳定性。
 
  环境监测是环境保护的重要基础更是环境管理的基本手段,监测数据的准确、科学、及时关系到整个环境监测甚至环境保护工作的成败。目前,环境监测仪器产业链主要分为上游硬件、软件、检测试剂,中游监测仪器、监测系统,下游仪器维护、设备运营。近年来,现代环境监测网络体系构建成为热点,地下水监测、海洋监测、农村监测、温室气体监测网络正在建设中,实现大气超级站、卫星遥感、水环境等自动检测数据联网,构建统一的国家生态环境监测大数据管理平台。而微型飞行装置的问世,恰好完善动态监测传感器网络。
 
  下一步,研究人员将基于互联网连接设备网络的各种技术,理解飞行器在风中会有怎样的行为,以及降落伞形和滑翔机形飞行器表现如何进行深入研究。

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