3D風力駆動マイクロチップ：微小自律飛行センサープラットフォーム

エンジニアたちが電子マイクロチップに新たな能力を与えました：飛行です。砂粒ほどの大きさの新しい飛行マイクロチップ（マイクロフライヤー）にはモーターもエンジンもありません。代わりに、カエデのプロペラ種子のように風を捉えて飛び、ヘリコプターのように回転しながら空気中を地面へ降下します。マイクロフライヤーには、超小型化されたセンサー、電源、無線通信用アンテナ、データ保存用埋め込みメモリを搭載できます。

カエデや他の風散布型種子の空力特性を研究することで、エンジニアたちはマイクロフライヤーの空力を最適化し、高高度から投下された際に低速で制御された方法で落下するようにしました。この挙動により飛行が安定し、広範囲に分散し、空気との相互作用時間が増えるため、大気汚染や空気感染症の監視に最適です。

マイクロフライヤー設計のため、チームは複数の植物種子の空力を研究し、最も直接的なインスピレーションをトリステラテイア（星形種子を持つ花をつける蔓植物）から得ました。トリステラテイアの種子には、風を捉えてゆっくり制御された回転で落下するブレード状の翼があります。

チームは、トリステラテイア種子の翼と類似した形状と角度を持つ3枚翼タイプを含め、多くの異なるタイプのマイクロフライヤーを設計・製作しました。最も理想的な構造を特定するため、デバイス周りの気流をフルスケール計算モデリングでシミュレーションし、トリステラテイア種子のゆっくり制御された回転を模倣しました。

このモデリングに基づき、チームは実験室で構造を製作・テストし、高度な画像化手法と流れパターンの定量化手法を用いました。結果として得られた構造は、幅広いサイズと形状で形成可能です。

デバイス製造には、子供の飛び出す絵本から着想を得ました。チームはまず、平面的な幾何学で飛行構造の前駆体を製作。次に、これらをわずかに伸ばしたゴム基板に接着。伸ばした基板を緩めると、制御された座屈プロセスが発生し、翼が「飛び出して」精密に定義された三次元形状になります。

マイクロフライヤーは二つの部分で構成されます：ミリメートルサイズの電子機能コンポーネントとその翼です。マイクロフライヤーが空気中を落下する際、翼が空気と相互作用してゆっくり安定した回転運動を生み出します。電子部品の重量はマイクロフライヤーの中心低く分散配置され、制御を失ってカオス的に墜落するのを防ぎます。

実証例では、チームはセンサー、周囲エネルギーを収集する電源、メモリストレージ、スマートフォン・タブレット・コンピューターにデータを無線転送するアンテナを搭載しました。一つのデバイスにこれらすべてを搭載し、空気中の粒子状物質を検出。別の例では、水質監視用pHセンサーと、異なる波長での日光露出測定用フォトディテクターを組み込みました。

多数のデバイスを飛行機や建物から投下し、広範囲に分散させることで、化学物質流出後の環境修復活動監視や、様々な高度での大気汚染レベル追跡が可能です。

物理的にトランジェントな電子システムは、分解性ポリマー、堆肥化可能な導体、溶解性ICチップを使用し、水に触れると環境に無害な最終生成物へ自然に消滅します。

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