Tecnologia Científica

O microchip alado é a menor estrutura voadora já feita pelo homem
Os engenheiros da Northwestern University adicionaram uma nova capacidade aos microchips eletrônicos: o voo.
Por Northwestern University - 22/09/2021



Um microflier 3D fica ao lado de uma formiga comum para mostrar a escala. Crédito: Northwestern University

Os engenheiros da Northwestern University adicionaram uma nova capacidade aos microchips eletrônicos: o voo.

Mais ou menos do tamanho de um grão de areia, o novo microchip voador (ou "microflier") não tem motor ou motor. Em vez disso, ele pega o voo com o vento - como a semente da hélice de um bordo - e gira como um helicóptero no ar em direção ao solo.

Ao estudar as árvores de bordo e outros tipos de sementes dispersas pelo vento, os engenheiros otimizaram a aerodinâmica do microflier para garantir que - quando lançado em uma altitude elevada - caia em uma velocidade lenta de maneira controlada. Esse comportamento estabiliza seu voo, garante dispersão em uma ampla área e aumenta o tempo de interação com o ar, tornando-o ideal para monitorar poluição atmosférica e doenças transmitidas pelo ar.

Como as menores estruturas voadoras já feitas pelo homem, esses microfliers também podem ser embalados com tecnologia ultra-miniaturizada, incluindo sensores, fontes de energia, antenas para comunicação sem fio e memória incorporada para armazenar dados.

A pesquisa é capa da edição de 23 de setembro da Nature .

"Nosso objetivo era adicionar o voo alado a sistemas eletrônicos de pequena escala, com a ideia de que esses recursos nos permitiriam distribuir dispositivos eletrônicos miniaturizados altamente funcionais para detectar o ambiente para monitoramento de contaminação, vigilância populacional ou rastreamento de doenças", disse John da Northwestern A. Rogers, que liderou o desenvolvimento do dispositivo. "Fomos capazes de fazer isso usando ideias inspiradas no mundo biológico. Ao longo de bilhões de anos, a natureza projetou sementes com uma aerodinâmica muito sofisticada. Nós pegamos emprestados esses conceitos de design, adaptamos e os aplicamos em plataformas de circuitos eletrônicos."

Um pioneiro em bioeletrônica, Rogers é o professor Louis Simpson e Kimberly Querrey de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Biomédica e Cirurgia Neurológica na Escola de Engenharia McCormick e Escola de Medicina Feinberg e diretor do Instituto Querrey Simpson de Bioeletrônica. Yonggang Huang, o professor de engenharia mecânica de Jan e Marcia Achenbach na McCormick, conduziu o trabalho teórico do estudo.


Um close-up de um microflier 3D, equipado com uma antena em espiral e sensores
UV. Crédito: Northwestern University

'Nós pensamos que vencemos a natureza'
 
A maioria das pessoas já viu a semente da hélice girando de uma folha de bordo girando no ar e pousando suavemente na calçada. Este é apenas um exemplo de como a natureza desenvolveu métodos inteligentes e sofisticados para aumentar a sobrevivência de várias plantas. Ao garantir que as sementes sejam amplamente dispersas, as plantas e árvores sedentárias podem propagar suas espécies por grandes distâncias para povoar grandes áreas.

"A evolução provavelmente foi a força motriz para as propriedades aerodinâmicas sofisticadas exibidas por muitas classes de sementes", disse Rogers. "Essas estruturas biológicas são projetadas para cair lentamente e de maneira controlada, para que possam interagir com os padrões do vento pelo maior período de tempo possível. Esse recurso maximiza a distribuição lateral por meio de mecanismos aerotransportados puramente passivos."

Para projetar as microfliers, a equipe da Northwestern estudou a aerodinâmica de várias sementes de plantas, extraindo sua inspiração mais direta da planta tristelateia, uma trepadeira com flores e sementes em forma de estrela. As sementes de tristelateia têm asas laminadas que pegam o vento e caem com um giro lento e giratório.

Rogers e sua equipe projetaram e construíram muitos tipos diferentes de microfliers, incluindo um com três asas, otimizado para formas e ângulos semelhantes às asas de uma semente de tristelateia. Para identificar a estrutura mais ideal, Huang liderou a modelagem computacional em escala real de como o ar flui ao redor do dispositivo para imitar a rotação lenta e controlada da semente de tristelateia.

Com base nessa modelagem, o grupo de Rogers construiu e testou estruturas em laboratório, usando métodos avançados de imagem e quantificação de padrões de fluxo em colaborações com Leonardo Chamorro, professor associado de engenharia mecânica da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

As estruturas resultantes podem ser formadas em uma ampla variedade de tamanhos e formas, algumas com propriedades que podem dar à natureza uma corrida por seu dinheiro.

"Achamos que vencemos a natureza", disse Rogers. "Pelo menos no sentido restrito de termos sido capazes de construir estruturas que caem com trajetórias mais estáveis ​​e em velocidades terminais mais lentas do que as sementes equivalentes que você veria em plantas ou árvores. Também fomos capazes de construir essas estruturas voadoras de helicópteros em tamanhos muito menores do que os encontrados na natureza. Isso é importante porque a miniaturização de dispositivos representa a trajetória de desenvolvimento dominante na indústria eletrônica , onde sensores, rádios, baterias e outros componentes podem ser construídos em dimensões cada vez menores. "

De plantas a livros pop-up

Para fabricar os dispositivos, a equipe de Rogers se inspirou em outra novidade familiar: um livro infantil pop-up.

Sua equipe primeiro fabricou precursores para estruturas voadoras em geometrias planas e planas. Em seguida, eles ligaram esses precursores a um substrato de borracha ligeiramente esticado. Quando o substrato esticado é relaxado, ocorre um processo de flambagem controlado que faz com que as asas "saltem" em formas tridimensionais precisamente definidas.

"Esta estratégia de construir estruturas 3D a partir de precursores 2D é poderosa porque todos os dispositivos semicondutores existentes são construídos em layouts planos", disse Rogers. "Podemos, portanto, explorar os materiais e métodos de fabricação mais avançados usados ​​pela indústria de eletrônicos de consumo para fazer designs totalmente padronizados, planos e semelhantes a chips. Em seguida, apenas os transformamos em formas voadoras 3D por princípios que são semelhantes aos de um pop -up livro. "

Embalado com promessas

Os microfliers são compostos por duas partes: componentes eletrônicos funcionais de tamanho milimétrico e suas asas. Conforme o microflier cai no ar, suas asas interagem com o ar para criar um movimento de rotação lento e estável. O peso da eletrônica é distribuído baixo no centro do microflier para evitar que perca o controle e caia caoticamente no chão.

Em exemplos demonstrados, a equipe de Rogers incluiu sensores, uma fonte de energia que pode coletar energia ambiente, armazenamento de memória e uma antena que pode transferir dados sem fio para um smartphone, tablet ou computador.

No laboratório, o grupo de Rogers equipou um dispositivo com todos esses elementos para detectar partículas no ar. Em outro exemplo, eles incorporaram sensores de pH que poderiam ser usados ​​para monitorar a qualidade da água e fotodetectores para medir a exposição ao sol em diferentes comprimentos de onda.

Rogers imagina que um grande número de dispositivos podem ser lançados de um avião ou edifício e amplamente dispersos para monitorar os esforços de remediação ambiental após um derramamento químico ou para rastrear os níveis de poluição do ar em várias altitudes.

"A maioria das tecnologias de monitoramento envolve instrumentação em massa projetada para coletar dados localmente em um pequeno número de locais em uma área espacial de interesse", disse Rogers. "Prevemos uma grande multiplicidade de sensores miniaturizados que podem ser distribuídos em uma alta densidade espacial em grandes áreas, para formar uma rede sem fio."

Ato de desaparecimento

Mas e quanto ao lixo eletrônico? Rogers tem um plano para isso. Seu laboratório já desenvolve componentes eletrônicos transitórios que podem se dissolver sem causar danos na água depois de não serem mais necessários - conforme demonstrado em um trabalho recente com marca-passos bioreabsorvíveis. Agora, sua equipe está usando os mesmos materiais e técnicas para construir microfliers que se degradam naturalmente e desaparecem nas águas subterrâneas com o tempo.

"Nós fabricamos esses sistemas eletrônicos fisicamente transitórios usando polímeros degradáveis, condutores compostáveis ​​e chips de circuito integrado solúveis que desaparecem naturalmente em produtos finais ambientalmente benignos quando expostos à água", disse Roger. "Reconhecemos que a recuperação de grandes coleções de microfliers pode ser difícil. Para lidar com essa preocupação, essas versões reabsorvíveis ambientalmente se dissolvem de forma natural e inofensiva."

O estudo é intitulado "Microfolhas eletrônicas tridimensionais inspiradas por sementes dispersas pelo vento". Além de Rogers e Huang, os co-autores correspondentes incluem Leonardo Chamorro da Universidade de Illinois e Yihui Zhang da Universidade de Tsinghua na China. Os primeiros autores do artigo são Bong Hoon Kim da Soongsil University na Coréia, Kan Li da Huazhong University of Science and Technology na China e Jin-Tae Kim e Yoonseok Park, ambos no laboratório de Rogers em Northwestern.

 

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