最近西北大學的工程師們發(fā)明了人類迄今為止制造出的最小飛行器——飛行芯片。

飛行芯片的設計靈感來自開花藤本植物三星葵的星形種子，它的翅膀能夠像蒲公英種子一樣實現無主動驅動的長時間、遠距離飛行。

整個"電子飛行芯片"大約只有一粒沙子的大小，卻搭載了非常強大的電子功能部件，可用于監(jiān)測空氣污染和下降途中的任何空氣傳播疾病。

這一成果作為封面，刊登在9月22的《自然》雜志上，引發(fā)了大量國際媒體的報道。

課題由約翰羅杰斯研究小組主導，與西北大學奎里·辛普森生物電子研究所、伊利諾伊大學、中國清華大學、韓國松實大學和中國華中科技大學全球科學家團隊合作完成。

下面就讓我們來詳細看看，“飛行芯片”到底厲害在哪？

像沙子飄在空中

這一微芯片就像一粒沙子一樣小，由傳感器，存儲器，從自然環(huán)境中收集能量的電源，將細節(jié)無線傳輸到小工具的天線和pH傳感器組成。

研究人員表示，當飛行芯片飄在空氣中時，它可以用來監(jiān)測人口，空氣污染和空氣傳播的疾病。飛行芯片非常輕巧，可以比無人機等現有監(jiān)控設備更有效地工作。

飛行芯片還具有加載微型技術的能力，如傳感器，電源，用于無線通信的天線和嵌入式存儲器，能夠存儲數據并傳回計算機或手機。

傳統微飛行器的設計通常基于主動驅動模塊，模仿昆蟲或鳥類等使用撲翼、旋翼等方式使微飛行器實現飛行。

這類主動驅動模塊結構復雜、難以小型化集成，無法避免產生噪音，隱蔽性較差。此外，主動驅動方式能耗極大，難以完成長時間、遠距離巡航。

為了讓芯片實現無動力飛行工程師參考了自然界中種子靠風傳播的動力學。

以風傳植物種子作為靈感，采用力學引導屈曲自組裝的方式設計了微飛行器的三維結構，并在這種微小的結構上成功的集成了復雜的電子電路系統，可依據需要完成諸如空氣污染物大范圍、長時間實時監(jiān)測等功能。

圖為微飛行器下落機理與旋落穩(wěn)定性分析

該類飛行器在空氣中以極小的速度下落，能夠長時間滯空。其下落速度約0.28m/s，約為雪花速度的1/8。

仿生植物種子的三維結構可以進一步減緩下落速度，并使其飛行狀態(tài)更加穩(wěn)定。該工作主要致力于理解這類飛行器的旋轉下落機理，通過數值仿真結合理論模型分析解析了其背后的基本物理原理，建立了下落速度與穩(wěn)定性設計的物理模型，為將來該類飛行器的設計提供了指導思路。

研究團隊還開發(fā)了一種受兒童立體書啟發(fā)的制作工藝。

他們創(chuàng)造了平面的飛行結構，然后將其粘合到稍微拉伸的橡膠基材上，當基材松弛時，機翼便“彈出”形成三維形狀。

不過，大量的飛行芯片難以回收，為了實現環(huán)境友好，羅杰斯團隊使用了可以無害地溶解在水中的材料和技術。

羅杰斯表示："我們使用可降解的聚合物，可制成堆肥的導體和可溶解的集成電路芯片制造這種物理瞬態(tài)電子系統，當暴露于水中時，這些芯片會自然降解成無害的最終產物。"

隨之而來的陰謀論

在這一令人興奮成果發(fā)布不久之后，部分媒體也乘機賺取眼球，對“會飛的芯片”可能引發(fā)的陰謀論做出了預測，畢竟民眾對新科技的看法往往是不夠理性的。

作家喬·奎南（Joe Queenan）在《華爾街日報》發(fā)文稱，陰謀論者會認為政府機構將利用飛行微芯片來監(jiān)視公民。

畢竟有不少人已經確信微芯片被植入在新冠疫苗、信用卡甚至檸檬蛋白酥皮中了。

那么這些人也有理由認為，政府正在利用飛行微芯片來監(jiān)視它們，或者使用飛行微芯片對他們的后院進行地毯式轟炸，或者飄到他們的煙囪里，看看他們與誰有聯系，是否在納稅，以及他們是否有計劃奪取薩姆特堡。

以上荒謬的想法也許僅僅是喬·奎南對反科學陰謀論者的諷刺，不過他也同時提到，即使我們不是這樣的偏執(zhí)狂，也可能懷著惶恐的心情看待能夠飛行、收集數據的微芯片。

無處不在的眼睛《華爾街日報》配圖

雖然這項發(fā)明無疑是偉大的，但是一旦飛行芯片落入有心人之手，它們就可能被用來監(jiān)視商務會議、軍事戰(zhàn)略會議，甚至好萊塢制片廠。

當然從實用的角度去看，這一技術的確具有廣闊的應用空間。羅杰斯研究小組在九月份的《自然》雜志上寫道："大型小型無線電子設備的分布式集合可能構成未來環(huán)境監(jiān)測，人口監(jiān)測，疾病管理和其他需要覆蓋廣闊空間尺度的應用系統的基礎。”

柔性電子之父，三院院士John A. Rogers

約翰羅杰斯John A. Rogers教授是國際著名材料學家、物理學家及化學家，現為美國國家科學院、美國國家工程院、美國藝術與科學學院三院院士。

他的主要研究方向為非常規(guī)電子器件材料及制造。近十年來在仿生電子器件的設計與制造、可穿戴生物醫(yī)學電子器件等領域始終走在最前端，取得眾多研究成果，成為業(yè)界領軍人物。

他開創(chuàng)的柔性電子技術研究開啟了傳統硬質無機電子技術產業(yè)從”硬”到”柔”的跨越，對于推動柔性電子技術成為融合數字、物理和生物世界的變革性力量，改變未來世界生活形態(tài)的可能性都具有非凡的意義。

羅杰斯教授于1967年出生于美國，1989年本科畢業(yè)于德克薩斯大學奧斯汀分校的化學/物理專業(yè)，1992年收獲MIT(麻省理工學院)的物理和化學碩士學位，1995年博士畢業(yè)于MIT的物理化學專業(yè)，博士期間參與創(chuàng)辦了Active Impulse Systems 公司。

他于2016年9月加入美國西北大學，成為材料科學與工程、生物醫(yī)學工程、機械工程、電氣工程與計算機科學、化學以及神經外科Louis Simpson and Kimberly Querrey講座教授，同時期開始擔任西北大學新建立的生物集成電子中心的教授兼主任。

羅杰斯教授幾十年來在柔性電子器件研究方面建樹頗豐，其微流體光纖(2004年)、可拉伸硅(2006年)、生物可降解電子器件(2010年)、以及轉換效率破紀錄的太陽能電池(2012年)先后4次入選麻省理工技術評論年度十大技術突破。

飛行芯片與蒲公英種子

羅杰斯課題組成員最主要來自美國、中國和韓國，尤其博士后成員大部分來自韓國。

飛行芯片的研究是羅杰斯課題組與西北大學奎里·辛普森生物電子研究所、伊利諾伊大學、中國清華大學、韓國松實大學和中國華中科技大學全球科學家團隊合作完成。

此次在自然雜志發(fā)表的論文由華中科技大學機械學院厲侃教授與韓國崇實大學助理教授金奉勛（Bong Hoon Kim）、美國西北大學博士后金鎮(zhèn)泰（Jin-Tae Kim）、樸尹錫（Yoon seok Park）為共同第一作者。

美國西北大學John Rogers院士、黃永剛院士、清華大學張一慧教授和美國伊利諾伊大學香檳分校Leonardo Chamorro教授為本文共同通訊作者。

突破生活形態(tài)的柔性生醫(yī)系統

羅杰斯教授課題組目前在仿生電子器件的設計與制造、可穿戴生物醫(yī)學電子器件等研究領域走在世界最前沿。

同時在納米和分子尺度制造的基礎和應用方面也做出了重大的貢獻，對非常規(guī)電子和光子設備的材料和圖案化技術的發(fā)展起到關鍵作用，特別是在生物集成和生物啟發(fā)系統的成就尤為突出。

瀏覽羅杰斯教授課題組的專屬頁面可以發(fā)現不少令人耳目一新的柔性電子技術。

比如用于新生兒重癥監(jiān)護中生命體征無線監(jiān)測的類皮膚設備。

這種類皮膚設備無電池、“表皮”電子設備具有先進的數據傳輸、傳感器內分析和雙節(jié)點功能，可實現完整生命體征信息的無線臨床級測量。與傳統的硬接線監(jiān)測系統相比，這些技術大大降低了新生兒嬌嫩皮膚受傷的風險，消除了對嬰兒自然運動的限制，促進了親子之間的皮膚接觸和親子關系。

還有這款皮膚集成柔性電子系統，這一系統可作為虛擬現實的觸覺接口。

與眼睛和耳朵相比，皮膚是 VR/AR 技術相對未開發(fā)的一個接口。它可以極大地增強虛擬體驗。羅杰斯團隊開發(fā)了一種無線、無電池的電子系統平臺和觸覺界面，可輕柔地貼在皮膚上，通過時空可編程的機械振動模式傳達信息。

皮膚可以為身體提供交流和感官輸入，由此產生的表皮 VR 系統將創(chuàng)造許多新機會。比如社交媒體/個人參與、游戲/娛樂和假肢控制/反饋等。

柔性電子被認為是電子行業(yè)的未來，因為柔性電子產品可以彎曲、伸展，有時甚至還是可穿戴的，給出人類的生命體征數據，柔性電子技術已經成為美國政府研究的重要課題，許多研究機構和公司都投入資金研究柔性材料。

從更廣闊的全球柔性電子市場上來看，柔性電子作為最前沿的科技，將不可逆轉地在未來幾年呈飛速發(fā)展勢態(tài)。

據相關數據顯示，柔性電子是成為未來五年增速最快的行業(yè)之一，至2025年預計市場規(guī)模將達到3049.4億美元，年化復合增長率將達到驚人的144.71%。

這些突破性的創(chuàng)新有望融合數字、物理和生物世界的變革性力量，極有可能改變未來世界的生活形態(tài)。