Los ingenieros de la Northwestern University han agregado una nueva capacidad a los microchips electrónicos: vuelo.
Aproximadamente del tamaño de un grano de arena, el nuevo microchip volador o "microflier" no tiene motor ni motor. En cambio, vuela con el viento, como la semilla de la hélice de un arce, y giracomo un helicóptero por el aire hacia el suelo.
Al estudiar los arces y otros tipos de semillas dispersadas por el viento, los ingenieros optimizaron la aerodinámica del microflier para garantizar que, cuando se deja caer a gran altura, caiga a una velocidad lenta de manera controlada. Este comportamiento estabiliza su vuelo, asegura la dispersión en un área amplia y aumenta la cantidad de tiempo que interactúa con el aire, lo que lo hace ideal para monitorear la contaminación del aire y las enfermedades transmitidas por el aire.
Como las estructuras voladoras más pequeñas jamás creadas por el hombre, estos microfliers también se pueden empaquetar con tecnología ultraminiaturizada, incluidos sensores, fuentes de energía, antenas para comunicación inalámbrica y memoria integrada para almacenar datos.
La investigación aparece en la portada de la edición del 23 de septiembre de Naturaleza.
"Nuestro objetivo era agregar el vuelo alado a los sistemas electrónicos de pequeña escala, con la idea de que estas capacidades nos permitirían distribuir dispositivos electrónicos miniaturizados altamente funcionales para detectar el entorno para el monitoreo de la contaminación, la vigilancia de la población o el seguimiento de enfermedades", dijoJohn A. Rogers de Northwestern, quien dirigió el desarrollo del dispositivo. "Pudimos hacer eso usando ideas inspiradas en el mundo biológico. A lo largo de miles de millones de años, la naturaleza ha diseñado semillas con una aerodinámica muy sofisticada. Tomamos prestados esos conceptos de diseño,los adaptó y aplicó a plataformas de circuitos electrónicos ".
Pionero en bioelectrónica, Rogers es profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ingeniería Biomédica y Cirugía Neurológica en la Escuela de Ingeniería McCormick y la Escuela de Medicina Feinberg y director del Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica. Yonggang Huang, elJan y Marcia Achenbach, profesora de Ingeniería Mecánica en McCormick, dirigieron el trabajo teórico del estudio.
'Creemos que somos los que vencemos a la naturaleza'
La mayoría de la gente ha visto la semilla de la hélice de una hoja de arce girar en el aire y aterrizar suavemente en la acera. Este es solo un ejemplo de cómo la naturaleza ha desarrollado métodos inteligentes y sofisticados para aumentar la supervivencia de varias plantas.plantas y árboles ampliamente dispersos, que de otro modo serían sedentarios, pueden propagar su especie a grandes distancias para poblar áreas amplias.
"La evolución fue probablemente la fuerza impulsora de las propiedades aerodinámicas sofisticadas exhibidas por muchas clases de semillas", dijo Rogers. "Estas estructuras biológicas están diseñadas para caer lentamente y de manera controlada, por lo que pueden interactuar con los patrones del viento durante más tiempo-período de tiempo posible. Esta característica maximiza la distribución lateral a través de mecanismos aerotransportados puramente pasivos. "
Para diseñar los microfliers, el equipo de Northwestern estudió la aerodinámica de varias semillas de plantas, inspirándose más directamente en la planta de tristellateia, una enredadera en flor con semillas en forma de estrella. Las semillas de Tristellateia tienen alas que atrapan el viento paracaer con un giro lento y giratorio.
Rogers y su equipo diseñaron y construyeron muchos tipos diferentes de microfliers, incluido uno con tres alas, optimizado para formas y ángulos similares a las alas de una semilla de tristellateia. Para identificar la estructura más ideal, Huang dirigió el modelado computacional a gran escala decómo fluye el aire alrededor del dispositivo para imitar la rotación lenta y controlada de la semilla de tristellateia.
Basado en este modelado, el grupo de Rogers luego construyó y probó estructuras en el laboratorio, utilizando métodos avanzados para obtener imágenes y cuantificar patrones de flujo en colaboración con Leonardo Chamorro, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Las estructuras resultantes se pueden formar en una amplia variedad de tamaños y formas, algunas con propiedades que pueden hacer que la naturaleza corra por su dinero.
"Creemos que vencemos a la naturaleza", dijo Rogers. "Al menos en el sentido estricto de que hemos podido construir estructuras que caen con trayectorias más estables y a velocidades terminales más lentas que las semillas equivalentes que se verían en las plantas oárboles. También pudimos construir estas estructuras voladoras de helicópteros en tamaños mucho más pequeños que los que se encuentran en la naturaleza. Eso es importante porque la miniaturización de dispositivos representa la trayectoria de desarrollo dominante en la industria electrónica, donde los sensores, radios, baterías y otros componentes se pueden construir endimensiones cada vez más pequeñas ".
De plantas a libros emergentes
Para fabricar los dispositivos, el equipo de Rogers se inspiró en otra novedad familiar: un libro emergente para niños.
Su equipo primero fabricó precursores para estructuras voladoras en geometrías planas y planas. Luego, unieron estos precursores sobre un sustrato de goma ligeramente estirado. Cuando el sustrato estirado se relaja, se produce un proceso de pandeo controlado que hace que las alas "salten".en formas tridimensionales definidas con precisión.
"Esta estrategia de construir estructuras 3D a partir de precursores 2D es poderosa porque todos los dispositivos semiconductores existentes están construidos en diseños planos", dijo Rogers. "De esta manera, podemos aprovechar los materiales y métodos de fabricación más avanzados utilizados por la industria de la electrónica de consumo para hacerdiseños estándar, planos, como chips. Luego, simplemente los transformamos en formas voladoras en 3D mediante principios que son similares a los de un libro emergente ".
lleno de promesas
Los microfliers constan de dos partes: componentes electrónicos funcionales de tamaño milimétrico y sus alas. A medida que el microflier cae por el aire, sus alas interactúan con el aire para crear un movimiento de rotación lento y estable. El peso de los componentes electrónicos se distribuye enel centro del microflier para evitar que pierda el control y caiga caóticamente al suelo.
En ejemplos demostrados, el equipo de Rogers incluyó sensores, una fuente de energía que puede recolectar energía ambiental, almacenamiento de memoria y una antena que puede transferir datos de forma inalámbrica a un teléfono inteligente, tableta o computadora.
En el laboratorio, el grupo de Rogers equipó un dispositivo con todos estos elementos para detectar partículas en el aire. En otro ejemplo, incorporaron sensores de pH que podrían usarse para monitorear la calidad del agua y fotodetectores para medir la exposición al sol en diferentes longitudes de onda.
Rogers imagina que una gran cantidad de dispositivos podrían dejarse caer desde un avión o edificio y dispersarse ampliamente para monitorear los esfuerzos de remediación ambiental después de un derrame químico o para rastrear los niveles de contaminación del aire en varias altitudes.
"La mayoría de las tecnologías de monitoreo involucran instrumentación masiva diseñada para recolectar datos localmente en una pequeña cantidad de ubicaciones en un área espacial de interés", dijo Rogers.grandes áreas, para formar una red inalámbrica. "
acto de desaparición
¿Pero qué pasa con toda la basura electrónica? Rogers tiene un plan para eso. Su laboratorio ya desarrolla dispositivos electrónicos transitorios que pueden disolverse sin causar daños en el agua después de que ya no se necesitan, como se demostró en un trabajo reciente sobre marcapasos biorreabsorbibles.mismos materiales y técnicas para construir microfliers que se degradan y desaparecen naturalmente en el agua subterránea con el tiempo.
"Fabricamos estos sistemas electrónicos físicamente transitorios utilizando polímeros degradables, conductores compostables y chips de circuitos integrados solubles que se desvanecen de forma natural en productos finales ambientalmente benignos cuando se exponen al agua", dijo Roger. "Reconocemos que la recuperación de grandes colecciones de microfliers puede serdifícil. Para abordar esta preocupación, estas versiones reabsorbibles ambientalmente se disuelven de forma natural e inofensiva ".
El estudio, "Microfliers electrónicos tridimensionales inspirados en semillas dispersadas por el viento", fue financiado por el Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica de la Universidad Northwestern. Además de Rogers y Huang, los coautores correspondientes incluyen a Leonardo Chamorro de la Universidad deIllinois y Yihui Zhang de la Universidad de Tsinghua en China. Los primeros autores del artículo son Bong Hoon Kim de la Universidad de Soongsil en Corea, Kan Li de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en China y Jin-Tae Kim y Yoonseok Park, ambos en el laboratorio de Rogers enNoroeste.
Video de Microflier : http://www.youtube.com/watch?v=x6gB1hKjDys
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