Mikrochip Berdaya Angin 3D: Platform Sensor Terbang Otonom Kecil
Insinyur telah menambahkan kemampuan baru pada mikrochip elektronik: penerbang. Berukuran sebesar butir pasir, mikrochip terbang (microflier) baru tidak memiliki motor atau mesin. Sebaliknya, menangkap penerbangan pada angin — seperti benih propeller pohon maple — dan berputar seperti helikopter melalui udara menuju tanah. Microfliers juga dapat dipenuhi dengan teknologi ultra-miniaturisasi termasuk sensor, sumber daya, antena untuk komunikasi nirkabel, dan memori tertanam untuk menyimpan data.
Dengan mempelajari pohon maple dan jenis benih lainnya yang dibawa angin, insinyur mengoptimalkan aerodinamika microflier untuk memastikan bahwa saat dijatuhkan di ketinggian tinggi, jatuh dengan kecepatan lambat dengan cara yang terkontrol. Perilaku ini menstabilkan penerbangnya, memastikan penyebaran di area luas, dan meningkatkan waktu berinteraksi dengan udara, menjadikannya ideal untuk memantau polusi udara dan penyakit yang ditularkan udara.
Untuk mendesain microfliers, tim mempelajari aerodinamika dari sejumlah benih tanaman, mengambil inspirasi paling langsung dari tanaman tristellateia, merpati bunga dengan benih berbintang. Benih tristellateia memiliki sayap berbilah yang menangkap angin untuk jatuh dengan putaran lambat yang berputar.
Tim merancang dan membangun banyak jenis microfliers yang berbeda, termasuk yang memiliki tiga sayap, yang dioptimalkan untuk bentuk dan sudut yang mirip dengan sayap pada benih tristellateia. Untuk menentukan struktur yang paling ideal, pemodelan komputasi skala penuh dilakukan tentang bagaimana aliran udara mengelilingi perangkat untuk meniru putaran lambat dan terkontrol dari benih tristellateia.
Berdasarkan pemodelan ini, tim kemudian membangun dan menguji struktur di laboratorium, menggunakan metode canggih untuk citra dan mengukur pola aliran. Struktur yang dihasilkan dapat dibentuk di berbagai ukuran dan bentuk.
Untuk memproduksi perangkat, tim mengambil inspirasi dari kegembaraan yang lain yang familiar: buku pop-up anak. Tim pertama-tama memproduksi precurser struktur terbang dalam geometri datar, planar. Kemudian, mereka melekatkan precurser ini pada substrat karet yang sedikit meregang. Ketika substrat yang meregang dirabarkan, proses buckling yang terkontrol terjadi yang menyebabkan sayap “pop up” menjadi bentuk tiga dimensi yang didefinisikan dengan tepat.
Microfliers terdiri dari dua bagian: komponen elektronik fungsional berukuran milimeter dan sayap mereka. Saat microflier jatuh melalui udara, sayapnya berinteraksi dengan udara untuk menciptakan gerakan rotasi lambat dan stabil. Bobot elektronik didistribusikan rendah di tengah microflier untuk mencegah kehilangan kontrol dan terguling secara kaotik ke tanah.
Dalam contoh yang ditunjukkan, tim menyertakan sensor, sumber daya yang dapat memanen energi sekeliling, penyimpanan memori, dan antena yang dapat mentransfer data secara nirkabel ke smartphone, tablet, atau komputer. Tim melengkapi satu perangkat dengan semua elemen ini untuk mendeteksi partikel di udara. Dalam contoh lain, mereka menggabungkan sensor pH yang dapat digunakan untuk memantau kualitas air dan fotodetector untuk mengukur paparan Matahari pada panjang gelombang yang berbeda.
Banyak perangkat dapat dijatuhkan dari pesawat atau gedung dan disebarkan luas untuk memantau upaya remediasi lingkungan setelah tumpahan kimia atau untuk melacak tingkat polusi udara pada ketinggian yang berbeda.
Sistem elektronik fisik transient menggunakan polimer yang terdegradasi, konduktor kompos, dan chip terintegrasi yang larut yang secara alami menghilang menjadi produk akhir yang ramah lingkungan saat terpapar air.
