De la taille d’un grain de sable, des microflyers dispersés pourraient surveiller la pollution de l’air, les maladies aéroportées et la contamination de l’environnement –

De la taille d’un grain de sable, la nouvelle micropuce volante (ou “microflier”) n’a pas de moteur ou de moteur. Au lieu de cela, il prend son envol au gré du vent – un peu comme la graine d’hélice d’un érable – et tourne comme un hélicoptère dans les airs vers le sol.

En étudiant les érables et d’autres types de graines dispersées par le vent, les ingénieurs ont optimisé l’aérodynamique du microflier pour s’assurer qu’il – lorsqu’il est lâché à haute altitude – tombe à une vitesse lente de manière contrôlée. Ce comportement stabilise son vol, assure la dispersion sur une large zone et augmente la durée d’interaction avec l’air, ce qui le rend idéal pour surveiller la pollution de l’air et les maladies aéroportées.

En tant que plus petites structures volantes jamais créées par l’homme, ces microfliers peuvent également être dotés d’une technologie ultra-miniaturisée, notamment des capteurs, des sources d’alimentation, des antennes pour la communication sans fil et une mémoire intégrée pour stocker des données.

La recherche est présentée sur la couverture du numéro du 23 septembre de La nature.

“Notre objectif était d’ajouter le vol ailé aux systèmes électroniques à petite échelle, avec l’idée que ces capacités nous permettraient de distribuer des dispositifs électroniques miniaturisés hautement fonctionnels pour détecter l’environnement pour la surveillance de la contamination, la surveillance de la population ou le suivi des maladies”, a déclaré John de Northwestern. A. Rogers, qui a dirigé le développement de l’appareil. “Nous avons pu le faire en utilisant des idées inspirées du monde biologique. Au cours de milliards d’années, la nature a conçu des graines avec une aérodynamique très sophistiquée. Nous avons emprunté ces concepts de conception, les avons adaptés et appliqués aux plates-formes de circuits électroniques.”

Pionnier de la bioélectronique, Rogers est professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et ingénierie des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie neurologique à la McCormick School of Engineering et à la Feinberg School of Medicine et directeur du Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Yonggang Huang, professeur Jan et Marcia Achenbach de génie mécanique à McCormick, a dirigé les travaux théoriques de l’étude.

« Nous pensons que nous battons la nature »

La plupart des gens ont vu la graine de l’hélice tourbillonnante d’une feuille d’érable tourner dans les airs et atterrir doucement sur le trottoir. Ce n’est qu’un exemple de la façon dont la nature a développé des méthodes intelligentes et sophistiquées pour augmenter la survie de diverses plantes. En veillant à ce que les graines soient largement dispersées, sinon les plantes et les arbres sédentaires peuvent propager leurs espèces sur de grandes distances pour peupler de vastes zones.

“L’évolution était probablement la force motrice des propriétés aérodynamiques sophistiquées présentées par de nombreuses classes de graines”, a déclaré Rogers. “Ces structures biologiques sont conçues pour tomber lentement et de manière contrôlée, afin qu’elles puissent interagir avec les vents pendant la plus longue période de temps possible. Cette caractéristique maximise la distribution latérale via des mécanismes aéroportés purement passifs.”

Pour concevoir les microfliers, l’équipe de Northwestern a étudié l’aérodynamique d’un certain nombre de graines de plantes, en s’inspirant le plus directement de la tristellateia, une vigne en fleurs aux graines en forme d’étoile. Les graines de Tristellateia ont des ailes à lames qui attrapent le vent pour tomber avec une rotation lente et rotative.

Rogers et son équipe ont conçu et construit de nombreux types différents de microfliers, dont un à trois ailes, optimisé pour des formes et des angles similaires à ceux des ailes d’une graine de tristellateia. Pour identifier la structure la plus idéale, Huang a dirigé une modélisation informatique à grande échelle de la façon dont l’air circule autour de l’appareil pour imiter la rotation lente et contrôlée de la graine de tristellateia.

Sur la base de cette modélisation, le groupe de Rogers a ensuite construit et testé des structures en laboratoire, en utilisant des méthodes avancées d’imagerie et de quantification des modèles d’écoulement en collaboration avec Leonardo Chamorro, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

Les structures résultantes peuvent être formées dans une grande variété de tailles et de formes, certaines avec des propriétés qui peuvent donner à la nature une course pour son argent.

“Nous pensons que nous battons la nature”, a déclaré Rogers. “Au moins dans le sens étroit où nous avons pu construire des structures qui tombent avec des trajectoires plus stables et à des vitesses terminales plus lentes que les graines équivalentes que vous verriez des plantes ou des arbres. Nous avons également pu construire ces structures de vol d’hélicoptères à des tailles beaucoup plus petits que ceux que l’on trouve dans la nature. C’est important car la miniaturisation des appareils représente la trajectoire de développement dominante dans l’industrie électronique, où les capteurs, radios, batteries et autres composants peuvent être construits dans des dimensions toujours plus petites.

Des plantes aux livres pop-up

Pour fabriquer les appareils, l’équipe de Rogers s’est inspirée d’une autre nouveauté familière : un livre pop-up pour enfants.

Son équipe a d’abord fabriqué des précurseurs de structures volantes dans des géométries plates et planes. Ensuite, ils ont collé ces précurseurs sur un substrat de caoutchouc légèrement étiré. Lorsque le substrat étiré est détendu, un processus de flambage contrôlé se produit qui fait « pop up » les ailes dans des formes tridimensionnelles définies avec précision.

“Cette stratégie de construction de structures 3D à partir de précurseurs 2D est puissante car tous les dispositifs semi-conducteurs existants sont construits dans des configurations planaires”, a déclaré Rogers. « Nous pouvons ainsi exploiter les matériaux et les méthodes de fabrication les plus avancés utilisés par l’industrie de l’électronique grand public pour créer des conceptions complètement standard, plates et semblables à des puces. Ensuite, nous les transformons simplement en formes volantes 3D selon des principes similaires à ceux d’un pop. -up livre.”

Plein de promesses

Les microfliers sont constitués de deux parties : des composants électroniques fonctionnels de taille millimétrique et leurs ailes. Lorsque le microflier tombe dans les airs, ses ailes interagissent avec l’air pour créer un mouvement de rotation lent et stable. Le poids de l’électronique est réparti bas au centre du microflier pour éviter qu’il ne perde le contrôle et ne tombe au sol de manière chaotique.

Dans des exemples démontrés, l’équipe de Rogers a inclus des capteurs, une source d’alimentation qui peut récupérer l’énergie ambiante, un stockage de mémoire et une antenne qui peut transférer des données sans fil vers un téléphone intelligent, une tablette ou un ordinateur.

En laboratoire, le groupe de Rogers a équipé un appareil de tous ces éléments pour détecter les particules dans l’air. Dans un autre exemple, ils ont incorporé des capteurs de pH qui pourraient être utilisés pour surveiller la qualité de l’eau et des photodétecteurs pour mesurer l’exposition au soleil à différentes longueurs d’onde.

Rogers imagine qu’un grand nombre d’appareils pourraient être largués d’un avion ou d’un bâtiment et largement dispersés pour surveiller les efforts d’assainissement de l’environnement après un déversement de produits chimiques ou pour suivre les niveaux de pollution de l’air à différentes altitudes.

“La plupart des technologies de surveillance impliquent une instrumentation en vrac conçue pour collecter des données localement à un petit nombre d’emplacements dans une zone spatiale d’intérêt”, a déclaré Rogers. “Nous envisageons une grande multiplicité de capteurs miniaturisés qui peuvent être distribués à une densité spatiale élevée sur de vastes zones, pour former un réseau sans fil.”

Acte de disparition

Mais qu’en est-il de tous les déchets électroniques? Rogers a un plan pour ça. Son laboratoire développe déjà des composants électroniques transitoires qui peuvent se dissoudre sans danger dans l’eau une fois qu’ils ne sont plus nécessaires – comme l’ont démontré de récents travaux sur les stimulateurs cardiaques biorésorbables. Maintenant, son équipe utilise les mêmes matériaux et techniques pour construire des microfliers qui se dégradent naturellement et disparaissent dans les eaux souterraines au fil du temps. .

“Nous fabriquons de tels systèmes électroniques physiquement transitoires en utilisant des polymères dégradables, des conducteurs compostables et des puces de circuits intégrés solubles qui disparaissent naturellement en produits finaux respectueux de l’environnement lorsqu’ils sont exposés à l’eau”, a déclaré Roger. “Nous reconnaissons que la récupération de grandes collections de microfliers pourrait être difficile. Pour répondre à cette préoccupation, ces versions résorbables dans l’environnement se dissolvent naturellement et sans danger.”

L’étude, “Les microfliers électroniques tridimensionnels inspirés par les graines dispersées par le vent”, a été soutenue par le Querrey Simpson Institute for Bioelectronics de la Northwestern University. Outre Rogers et Huang, les auteurs correspondants incluent Leonardo Chamorro de l’Université de l’Illinois et Yihui Zhang de l’Université Tsinghua en Chine. Les premiers auteurs de l’article sont Bong Hoon Kim de l’Université Soongsil en Corée, Kan Li de l’Université des sciences et technologies de Huazhong en Chine et Jin-Tae Kim et Yoonseok Park, tous deux dans le laboratoire de Rogers à Northwestern.

Vidéo de Microflier : https://www.youtube.com/watch?v=x6gB1hKjDys