กาส่งนักบินอวกาศไปสำรวจอวกาศ

ขนาดเท่าเม็ดทราย ไมโครชิปบินใหม่ (หรือ "ไมโครฟเลียร์") ไม่มีมอเตอร์หรือเครื่องยนต์ แต่กลับบินไปตามลม - คล้ายกับใบพัดของต้นเมเปิ้ล - และหมุนเหมือนเฮลิคอปเตอร์ผ่านอากาศไปยังพื้นดิน จากการศึกษาต้นเมเปิลและเมล็ดพันธุ์ที่กระจายไปตามลมประเภทอื่นๆ วิศวกรได้ปรับปรุงแอโรไดนามิกของไมโครฟลิเออร์เพื่อให้แน่ใจว่าเมื่อตกจากที่สูง จะตกด้วยความเร็วต่ำในลักษณะที่ควบคุมได้ พฤติกรรมนี้ทำให้การบินมีเสถียรภาพ กระจายไปทั่วพื้นที่กว้าง และเพิ่มระยะเวลาที่มันมีปฏิสัมพันธ์กับอากาศ ทำให้เหมาะสำหรับการตรวจสอบมลพิษทางอากาศและโรคในอากาศ ในฐานะที่เป็นโครงสร้างบินที่เล็กที่สุดเท่าที่มนุษย์สร้างขึ้น ไมโครฟลายเออร์เหล่านี้ยังสามารถบรรจุด้วยเทคโนโลยีที่ย่อส่วนเป็นพิเศษ ซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์ แหล่งพลังงาน เสาอากาศสำหรับการสื่อสารไร้สาย และหน่วยความจำฝังตัวเพื่อจัดเก็บข้อมูล งานวิจัยนี้นำเสนอบนหน้าปกของNature ฉบับวันที่ 23 กันยายน "เป้าหมายของเราคือการเพิ่มการบินแบบมีปีกให้กับระบบอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ด้วยแนวคิดที่ว่าความสามารถเหล่านี้จะช่วยให้เราสามารถแจกจ่ายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋วที่ใช้งานได้สูงเพื่อตรวจจับสภาพแวดล้อมสำหรับการตรวจสอบการปนเปื้อน การเฝ้าระวังประชากร หรือการติดตามโรค" จอห์นแห่ง Northwestern กล่าว A. Rogers ผู้นำการพัฒนาอุปกรณ์ "เราสามารถทำเช่นนั้นได้โดยใช้แนวคิดที่ได้รับแรงบันดาลใจจากโลกชีวภาพ ในช่วงเวลาหลายพันล้านปี ธรรมชาติได้ออกแบบเมล็ดพันธุ์ที่มีอากาศพลศาสตร์ที่ซับซ้อนมาก เรายืมแนวคิดการออกแบบเหล่านั้น มาดัดแปลง และนำไปใช้กับแพลตฟอร์มวงจรอิเล็กทรอนิกส์" Rogers เป็นผู้บุกเบิกด้านอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพ เป็นศาสตราจารย์ Louis Simpson และ Kimberly Querrey สาขาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม วิศวกรรมชีวการแพทย์และศัลยกรรมระบบประสาทที่ McCormick School of Engineering และ Feinberg School of Medicine และผู้อำนวยการ Querrey Simpson Institute for Bioelectronics Yonggang Huang ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ Jan และ Marcia Achenbach ที่ McCormick เป็นผู้นำในการวิจัยเชิงทฤษฎี 'เราคิดว่าเราเอาชนะธรรมชาติ' คนส่วนใหญ่เคยเห็นใบพัดของใบเมเปิลหมุนวนในอากาศและตกลงบนทางเท้าอย่างนุ่มนวล นี่เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของวิธีที่ธรรมชาติพัฒนาวิธีการที่ชาญฉลาดและซับซ้อนเพื่อเพิ่มความอยู่รอดของพืชต่างๆ นักบินอวกาศ ด้วยการตรวจสอบให้แน่ใจว่าเมล็ดพันธุ์กระจายตัวอย่างกว้างขวาง มิฉะนั้นพืชและต้นไม้ที่อยู่ประจำที่จะสามารถขยายพันธุ์ในระยะทางที่กว้างใหญ่เพื่อเติมพื้นที่กว้าง Rogers กล่าวว่า "วิวัฒนาการน่าจะเป็นแรงผลักดันสำหรับคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร์ที่ซับซ้อนซึ่งแสดงโดยเมล็ดพันธุ์หลายประเภท" "โครงสร้างทางชีววิทยาเหล่านี้ได้รับการออกแบบให้ตกลงมาอย่างช้าๆ และในลักษณะที่ควบคุมได้ ดังนั้นพวกมันจึงสามารถโต้ตอบกับรูปแบบลมได้ในระยะเวลาที่ยาวนานที่สุด คุณลักษณะนี้ช่วยเพิ่มการกระจายด้านข้างให้ได้สูงสุดผ่านกลไกการลอยตัวในอากาศแบบเฉยๆ" ในการออกแบบไมโครไฟเออร์ ทีมงานของ Northwestern ได้ศึกษาหลักอากาศพลศาสตร์ของเมล็ดพืชหลายชนิด โดยได้รับแรงบันดาลใจโดยตรงจากต้นไทรสเตลเลเทีย ซึ่งเป็นเถาไม้ดอกที่มีเมล็ดรูปดาว เมล็ด Tristellateia มีปีกใบมีดที่รับลมเพื่อให้ตกลงมาด้วยการหมุนที่ช้า Rogers และทีมงานของเขาออกแบบและสร้างไมโครฟลายเออร์หลายประเภท รวมถึงแบบที่มีสามปีก ซึ่งปรับให้มีรูปร่างและมุมใกล้เคียงกับปีกบนเมล็ดพืชไตรสเทลลาเทีย ในการระบุโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุด Huang ได้นำการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์เต็มรูปแบบของการไหลของอากาศรอบๆ อุปกรณ์เพื่อเลียนแบบการหมุนที่ช้าและควบคุมของเมล็ด Tristellateia จากการสร้างแบบจำลองนี้ กลุ่มของ Rogers ได้สร้างและทดสอบโครงสร้างในห้องปฏิบัติการ โดยใช้วิธีการขั้นสูงในการถ่ายภาพและหาปริมาณรูปแบบการไหลโดยร่วมมือกับ Leonardo Chamorro รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลแห่งมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่ Urbana-Champaign โครงสร้างที่เกิดขึ้นสามารถก่อตัวขึ้นได้ในขนาดและรูปร่างที่หลากหลาย บางส่วนมีคุณสมบัติที่สามารถให้เงินกับธรรมชาติได้ “เราคิดว่าเราเอาชนะธรรมชาติ” โรเจอร์สกล่าว "อย่างน้อยในแง่แคบที่เราสามารถสร้างสิ่งก่อสร้างที่ตกลงมาด้วยวิถีที่เสถียรกว่าและที่ความเร็วปลายทางที่ช้ากว่าเมล็ดพันธุ์ที่เทียบเท่าที่คุณเห็นจากพืชหรือต้นไม้ นอกจากนี้ เรายังสามารถสร้างโครงสร้างการบินเฮลิคอปเตอร์เหล่านี้ในขนาดต่างๆ มีขนาดเล็กกว่าที่พบในธรรมชาติมาก นั่นเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากการย่อขนาดอุปกรณ์แสดงถึงแนวทางการพัฒนาที่โดดเด่นในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเซ็นเซอร์ วิทยุ แบตเตอรี่ และส่วนประกอบอื่นๆ สามารถสร้างได้ในขนาดที่เล็กลง" จากต้นไม้สู่หนังสือป๊อปอัพ ในการผลิตอุปกรณ์ ทีมงานของ Rogers ได้รับแรงบันดาลใจจากสิ่งแปลกใหม่ที่คุ้นเคย: หนังสือป๊อปอัพสำหรับเด็ก ทีมงานของเขาประดิษฐ์สารตั้งต้นสำหรับโครงสร้างการบินในรูปทรงระนาบระนาบแบน จากนั้นจึงประสานสารตั้งต้นเหล่านี้เข้ากับพื้นผิวยางที่ยืดออกเล็กน้อย เมื่อวัสดุพิมพ์ที่ยืดออกคลายตัว กระบวนการโก่งตัวแบบควบคุมจะเกิดขึ้น ซึ่งทำให้ปีก "เด้งขึ้น" ในรูปแบบสามมิติที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ "กลยุทธ์ในการสร้างโครงสร้าง 3 มิติจากสารตั้งต้น 2 มิตินี้มีประสิทธิภาพมาก เนื่องจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ทั้งหมดสร้างขึ้นในรูปแบบระนาบ" โรเจอร์สกล่าว "เราจึงสามารถใช้ประโยชน์จากวัสดุขั้นสูงที่สุดและวิธีการผลิตที่ใช้โดยอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเพื่อสร้างการออกแบบที่เป็นมาตรฐาน แบนราบ คล้ายชิป จากนั้นเราก็เปลี่ยนให้เป็นรูปทรงบินได้ 3 มิติโดยใช้หลักการที่คล้ายกับของป๊อป -อัพหนังสือ" เต็มไปด้วยคำมั่นสัญญา microfliers ประกอบด้วยสองส่วน: ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดมิลลิเมตรและปีกของมัน เมื่อไมโครฟลายเออร์ตกลงไปในอากาศ ปีกของมันจะโต้ตอบกับอากาศเพื่อสร้างการเคลื่อนที่แบบหมุนอย่างช้าๆ และมั่นคง น้ำหนักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะกระจายอยู่ต่ำที่กึ่งกลางของไมโครฟไลเออร์ เพื่อป้องกันไม่ให้สูญเสียการควบคุมและร่วงหล่นลงพื้นอย่างทุลักทุเล ในตัวอย่างที่แสดงให้เห็น ทีมงานของ Rogers ได้รวมเซ็นเซอร์ แหล่งพลังงานที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานโดยรอบ หน่วยความจำ และเสาอากาศที่สามารถถ่ายโอนข้อมูลแบบไร้สายไปยังสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต หรือคอมพิวเตอร์ ในห้องทดลอง กลุ่มของ Rogers ได้ติดตั้งอุปกรณ์หนึ่งชิ้นที่มีองค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้เพื่อตรวจจับอนุภาคในอากาศ ในอีกตัวอย่างหนึ่ง พวกเขารวมเซ็นเซอร์วัดค่า pH ที่สามารถใช้ตรวจสอบคุณภาพน้ำและตัวตรวจจับแสงเพื่อวัดปริมาณแสงแดดที่ความยาวคลื่นต่างๆ Rogers จินตนาการว่าอุปกรณ์จำนวนมากอาจถูกทิ้งจากเครื่องบินหรืออาคาร และกระจายเป็นวงกว้างเพื่อตรวจสอบความพยายามในการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมหลังจากสารเคมีรั่วไหล หรือเพื่อติดตามระดับมลพิษทางอากาศที่ระดับความสูงต่างๆ Rogers กล่าวว่า "เทคโนโลยีการตรวจสอบส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับเครื่องมือจำนวนมากที่ออกแบบมาเพื่อรวบรวมข้อมูลเฉพาะที่ในสถานที่จำนวนน้อยทั่วพื้นที่ที่น่าสนใจ" "เราจินตนาการถึงเซ็นเซอร์ขนาดเล็กจำนวนมากหลายตัวที่สามารถกระจายที่ความหนาแน่นเชิงพื้นที่สูงในพื้นที่ขนาดใหญ่เพื่อสร้างเครือข่ายไร้สาย"