【创作培育计划】把芯片做成有史以来最小的飞行结构，只有一粒沙大小

作者：孔令峰

审核：姬扬

设想这么一个画面，在未来的某一天，天空中缓缓下起了只如沙粒一般大的微芯片雨，它们如同植物种子一样在空中慢慢旋转、漂浮，完成工作后再落入地面并执行分解，且对环境无害。

而这并不是幻想——这个人类有史以来最小的飞行结构已经登上了《自然》杂志封面，其是由西北大学为首的工程师们研制的被称为“微型飞行器”的有翼微芯片。它们主要由毫米大小的电子元件和翅膀组成，其中电子元件主要分布在微型飞行器中心的低处，以控制重心来防止它失去控制地翻滚到地面。据工程师们称，这些飞行结构中最大部分长约2毫米，几乎相当于果蝇的大小，而最小的只有上述的四分之一，相当于一粒沙的大小。那么，有翼微芯片是怎么来的呢？

自古以来，自然界就一直是人类萌生各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉，人类也通过智慧和双手制造出了一项项新的事物。有翼微芯片，便是工程师们运用仿生学和空气动力学，汲取大自然中以风传播的枫树种子和其他各类型的种子为灵感，研制而成的没有马达的飞行结构。

我们都知道自然界中的植物是通过各种各样的被动策略来传播自己的种子，每种策略都是持续自然选择过程的结果。植物学家根据传播媒介对这些策略进行分类，主要类型有重力、弹道、风、水和动物。其中，风力是最强大和应用最广泛的一种。工程师依据气流运动方式定义了三大类种子：滑翔式、降落伞式、颤振式，并分别分析其中的大叶枫、梣叶枫和皇后树（泡桐）的种子，再通过电子、光电、微流控和微机电系统技术，模拟出一些与这些种子几何形状相似但结构略有不同的物体周围的气流。在慢慢地进行一系列的设计、测试、改进后，研究人员终于制作出一个3d模型，使得它在空中下落时，翅膀会和空气相互作用，“抓住”风做出缓慢、且稳定的旋转运动。从狭义上讲，有翼微芯片不仅可以像种子一样漂浮在空中，作为人类有史以来最小的飞行结构，它比植物上相同的种子有着更稳定的轨迹、更慢的终端速度和更远的飞行距离。工程师们更是直言“我们认为我们打败了大自然”。

当具备飞行的能力后，有翼微芯片可以用来做什么呢？事实上这些有翼微芯片还配备了超小型化的技术，包括传感器、电源、用于无线通信的天线和存储数据的嵌入式存储器。这使得它们可以进行如空气质量与污染、空气传播类疾病等环境监测。

有翼微芯片可以根据监测需求不同来搭载不同的传感器，进行空气酸碱值、水质、太阳辐射等数据的监测，再将数据录入自身的芯片单元并传输给外界的接收机器，这与传统的监测装置比最大的优势就是可以移动式的、近距离的、长时间监测。我们都知道在一些环境恶劣的地点和条件下是较难开展监测活动的，而有翼微芯片的出现便克服了这些困难。如人工环境监测需要极高的人力成本，其中包括培养成本，以及需要面对在极端环境中和病毒环境中暴露的威胁；传统监测设备由于距离较远，监测数据易受诸多因素的干扰，而有翼微芯片可利用自身“成群结队”的优势大量布置于监测区域进行精确持续监测。

那么，当有翼微芯片完成工作，它们的最终宿命是什么呢？有翼微芯片慢慢飘入地面之后，它们会进行自我分解，同时不对环境造成压力与污染。因为在设计之初，为贯彻环保理念，工程师们就选择了可降解的环保型聚合物、导体和电路芯片来制造。即使是大范围降落的“机群”也会随时间渐渐自我分解殆尽，而其中某些物质甚至可以转化为土壤的养分，有种“落红不是无情物，化作春泥更护花”的感觉。工程师团队也继续在进行实验，着力在未来使用可溶于水的材料，进一步提供更环保的方案。有翼微芯片工程师团队也承诺将会添加各项功能与改进，使其将来可全面投入并服务于社会。

有翼微芯片的出现让我们看到更多的不可能，也感叹于自然和科学的力量。在历史的长河中，人类一直都是以自然为师，分析、研究、学习大自然中各种生物的本领，再去创造、实践出各项技术来为人类自己所用。未来我们依旧要保持一颗学习的心，使自然更好地为科学服务，科学也能更全面地探索自然。

参考文献：

Kim B H, Li K, Kim J T, et al. Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds[J]. Nature, 2021, 597(7877): 503-510.

吴季友,陈传忠,蒋睿晓,胡天洋,于勇. 我国生态环境监测网络建设成效与展望[J]. 中国环境监测,2021,37(02):1-7.

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