【創(chuàng)作培育計劃】把芯片做成有史以來最小的飛行結構，只有一粒沙大小

作者：孔令峰

審核：姬揚

設想這么一個畫面，在未來的某一天，天空中緩緩下起了只如沙粒一般大的微芯片雨，它們如同植物種子一樣在空中慢慢旋轉、漂浮，完成工作后再落入地面并執(zhí)行分解，且對環(huán)境無害。

而這并不是幻想——這個人類有史以來最小的飛行結構已經登上了《自然》雜志封面，其是由西北大學為首的工程師們研制的被稱為“微型飛行器”的有翼微芯片。它們主要由毫米大小的電子元件和翅膀組成，其中電子元件主要分布在微型飛行器中心的低處，以控制重心來防止它失去控制地翻滾到地面。據工程師們稱，這些飛行結構中最大部分長約2毫米，幾乎相當于果蠅的大小，而最小的只有上述的四分之一，相當于一粒沙的大小。那么，有翼微芯片是怎么來的呢？

自古以來，自然界就一直是人類萌生各種技術思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉，人類也通過智慧和雙手制造出了一項項新的事物。有翼微芯片，便是工程師們運用仿生學和空氣動力學，汲取大自然中以風傳播的楓樹種子和其他各類型的種子為靈感，研制而成的沒有馬達的飛行結構。

我們都知道自然界中的植物是通過各種各樣的被動策略來傳播自己的種子，每種策略都是持續(xù)自然選擇過程的結果。植物學家根據傳播媒介對這些策略進行分類，主要類型有重力、彈道、風、水和動物。其中，風力是最強大和應用最廣泛的一種。工程師依據氣流運動方式定義了三大類種子：滑翔式、降落傘式、顫振式，并分別分析其中的大葉楓、梣葉楓和皇后樹（泡桐）的種子，再通過電子、光電、微流控和微機電系統(tǒng)技術，模擬出一些與這些種子幾何形狀相似但結構略有不同的物體周圍的氣流。在慢慢地進行一系列的設計、測試、改進后，研究人員終于制作出一個3d模型，使得它在空中下落時，翅膀會和空氣相互作用，“抓住”風做出緩慢、且穩(wěn)定的旋轉運動。從狹義上講，有翼微芯片不僅可以像種子一樣漂浮在空中，作為人類有史以來最小的飛行結構，它比植物上相同的種子有著更穩(wěn)定的軌跡、更慢的終端速度和更遠的飛行距離。工程師們更是直言“我們認為我們打敗了大自然”。

當具備飛行的能力后，有翼微芯片可以用來做什么呢？事實上這些有翼微芯片還配備了超小型化的技術，包括傳感器、電源、用于無線通信的天線和存儲數據的嵌入式存儲器。這使得它們可以進行如空氣質量與污染、空氣傳播類疾病等環(huán)境監(jiān)測。

有翼微芯片可以根據監(jiān)測需求不同來搭載不同的傳感器，進行空氣酸堿值、水質、太陽輻射等數據的監(jiān)測，再將數據錄入自身的芯片單元并傳輸給外界的接收機器，這與傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置比最大的優(yōu)勢就是可以移動式的、近距離的、長時間監(jiān)測。我們都知道在一些環(huán)境惡劣的地點和條件下是較難開展監(jiān)測活動的，而有翼微芯片的出現(xiàn)便克服了這些困難。如人工環(huán)境監(jiān)測需要極高的人力成本，其中包括培養(yǎng)成本，以及需要面對在極端環(huán)境中和病毒環(huán)境中暴露的威脅；傳統(tǒng)監(jiān)測設備由于距離較遠，監(jiān)測數據易受諸多因素的干擾，而有翼微芯片可利用自身“成群結隊”的優(yōu)勢大量布置于監(jiān)測區(qū)域進行精確持續(xù)監(jiān)測。

那么，當有翼微芯片完成工作，它們的最終宿命是什么呢？有翼微芯片慢慢飄入地面之后，它們會進行自我分解，同時不對環(huán)境造成壓力與污染。因為在設計之初，為貫徹環(huán)保理念，工程師們就選擇了可降解的環(huán)保型聚合物、導體和電路芯片來制造。即使是大范圍降落的“機群”也會隨時間漸漸自我分解殆盡，而其中某些物質甚至可以轉化為土壤的養(yǎng)分，有種“落紅不是無情物，化作春泥更護花”的感覺。工程師團隊也繼續(xù)在進行實驗，著力在未來使用可溶于水的材料，進一步提供更環(huán)保的方案。有翼微芯片工程師團隊也承諾將會添加各項功能與改進，使其將來可全面投入并服務于社會。

有翼微芯片的出現(xiàn)讓我們看到更多的不可能，也感嘆于自然和科學的力量。在歷史的長河中，人類一直都是以自然為師，分析、研究、學習大自然中各種生物的本領，再去創(chuàng)造、實踐出各項技術來為人類自己所用。未來我們依舊要保持一顆學習的心，使自然更好地為科學服務，科學也能更全面地探索自然。

參考文獻：

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吳季友,陳傳忠,蔣睿曉,胡天洋,于勇. 我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡建設成效與展望[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測,2021,37(02):1-7.

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