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 eletra´nicos: o voo.

Mais ou menos do tamanho de um gra£o 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 hanãlice de um bordo - e gira como um helica³ptero no ar em direção ao solo.

Ao estudar as a¡rvores de bordo e outros tipos de sementes dispersas pelo vento, os engenheiros otimizaram a aerodina¢mica do microflier para garantir que - quando lana§ado 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 atmosfanãrica 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 écapa da edição de 23 de setembro da Nature .

"Nosso objetivo era adicionar o voo alado a sistemas eletra´nicos de pequena escala, com a ideia de que esses recursos nos permitiriam distribuir dispositivos eletra´nicos miniaturizados altamente funcionais para detectar o ambiente para monitoramento de contaminação, vigila¢ncia populacional ou rastreamento de doena§as", disse John da Northwestern A. Rogers, que liderou o desenvolvimento do dispositivo. "Fomos capazes de fazer isso usando ideias inspiradas no mundo biola³gico. Ao longo de bilhaµes de anos, a natureza projetou sementes com uma aerodina¢mica muito sofisticada. Na³s pegamos emprestados esses conceitos de design, adaptamos e os aplicamos em plataformas de circuitos eletra´nicos."

Um pioneiro em bioeletra´nica, Rogers éo professor Louis Simpson e Kimberly Querrey de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Biomédica e Cirurgia Neurola³gica na Escola de Engenharia McCormick e Escola de Medicina Feinberg e diretor do Instituto Querrey Simpson de Bioeletra´nica. Yonggang Huang, o professor de engenharia meca¢nica de Jan e Marcia Achenbach na McCormick, conduziu o trabalho tea³rico do estudo.

A maioria das pessoas já viu a semente da hanãlice girando de uma folha de bordo girando no ar e pousando suavemente na cala§ada. Este éapenas um exemplo de como a natureza desenvolveu manãtodos inteligentes e sofisticados para aumentar a sobrevivaªncia de várias plantas. Ao garantir que as sementes sejam amplamente dispersas, as plantas e a¡rvores sedenta¡rias podem propagar suas espanãcies por grandes distâncias para povoar grandes áreas.

"A evolução provavelmente foi a força motriz para as propriedades aerodina¢micas 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 padraµes 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 aerodina¢mica 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 tem asas laminadas que pegam o vento e caem com um giro lento e girata³rio.

Rogers e sua equipe projetaram e construa­ram muitos tipos diferentes de microfliers, incluindo um com três asas, otimizado para formas e a¢ngulos semelhantes a s 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 manãtodos avana§ados de imagem e quantificação de padraµes de fluxo em colaborações com Leonardo Chamorro, professor associado de engenharia meca¢nica 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 a  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 trajeta³rias mais esta¡veis ​​e em velocidades terminais mais lentas do que as sementes equivalentes que vocêveria em plantas ou a¡rvores. Tambanãm fomos capazes de construir essas estruturas voadoras de helica³pteros em tamanhos muito menores do que os encontrados na natureza. Isso éimportante porque a miniaturização de dispositivos representa a trajeta³ria de desenvolvimento dominante na indústria eletra´nica , onde sensores, ra¡dios, baterias e outros componentes podem ser construa­dos emDimensões cada vez menores. "

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 érelaxado, ocorre um processo de flambagem controlado que faz com que as asas "saltem" em formas tridimensionais precisamente definidas.

"Esta estratanãgia de construir estruturas 3D a partir de precursores 2D époderosa porque todos os dispositivos semicondutores existentes são construa­dos em layouts planos", disse Rogers. "Podemos, portanto, explorar os materiais e manãtodos de fabricação mais avana§ados usados ​​pela indústria de eletra´nicos de consumo para fazer designs totalmente padronizados, planos e semelhantes a chips. Em seguida, apenas os transformamos em formas voadoras 3D por princa­pios que são semelhantes aos de um pop -up livro. "

Os microfliers são compostos por duas partes: componentes eletra´nicos funcionais de tamanho milimanãtrico e suas asas. Conforme o microflier cai no ar, suas asas interagem com o ar para criar um movimento de rotação lento e esta¡vel. O peso da eletra´nica édistribua­do baixo no centro do microflier para evitar que perca o controle e caia caoticamente no cha£o.

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 detectarpartículas no ar. Em outro exemplo, eles incorporaram sensores de pH que poderiam ser usados ​​para monitorar a qualidade da águae fotodetectores para medir a exposição ao sol em diferentes comprimentos de onda.

Rogers imagina que um grande número de dispositivos podem ser lana§ados de um avia£o ou edifa­cio e amplamente dispersos para monitorar os esforços de remediação ambiental após um derramamento qua­mico ou para rastrear os na­veis 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 distribua­dos em uma alta densidade espacial em grandes áreas, para formar uma rede sem fio."

Mas e quanto ao lixo eletra´nico? Rogers tem um plano para isso. Seu laboratório já desenvolve componentes eletra´nicos transita³rios que podem se dissolver sem causar danos na águadepois de não serem mais necessa¡rios - conforme demonstrado em um trabalho recente com marca-passos bioreabsorva­veis. Agora, sua equipe estãousando os mesmos materiais e técnicas para construir microfliers que se degradam naturalmente e desaparecem nas a¡guas subterra¢neas com o tempo.

"Na³s fabricamos esses sistemas eletra´nicos fisicamente transita³rios usando polímeros degrada¡veis, condutores composta¡veis ​​e chips de circuito integrado solaºveis que desaparecem naturalmente em produtos finais ambientalmente benignos quando expostos a  a¡gua", disse Roger. "Reconhecemos que a recuperação de grandes coleções de microfliers pode ser difa­cil. Para lidar com essa preocupação, essas versaµes reabsorva­veis ambientalmente se dissolvem de forma natural e inofensiva."

O estudo éintitulado "Microfolhas eletra´nicas 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 Coranãia, 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.