一个装有测量空气颗粒物污染水平电路的3D飞行器。图片来源：西北大学

科技日报记者 张梦然

英国《自然》杂志近日发表一项工程学突破，包括美国西北大学科学家在内的研究团队研发了一种飞行装置，其受到风力传播的植物种子启发，未来可应用于环境监测或通信。这种飞行装置可以携带有源电子载荷，从而可在一定范围建立无电池无线设备。

植物种子有各种形状和大小，其中一些可利用风力传播，散播遗传物质扩大种群繁殖。这些种子形状可分为四类：降落伞形，如蒲公英；滑翔机形，如翅葫芦；直升机形，如梣叶槭和大叶枫；扑翼或飞旋形，如毛泡桐或臭椿。

受风力传播种子的启发，包括美国西北大学研究人员约翰·罗杰斯在内的科学家们，此次设计了一系列飞行器，大小从微型（小于1毫米）到大型（大于1毫米）。他们使用模拟和风洞实验，研究了改变设计参数（如飞行器直径、结构和翼型）的空气动力学影响。在直升机型和飞旋形种子中，旋转行为加强了这些装置的稳定性和飞行行为。这些设计可以集成简单电子器件，其中一例包含有一个检测空气颗粒物的电路。

研究团队表示，这类在空气中具有良好滞空性的、以风为动力的被动驱动微飞行器，可以成功地在飞行器上集成电子电路功能模块，从而实现空气污染物监测等功能。该类微飞行器在空气中还具有非常缓慢的下落速度——约0.28m/s，只有雪花平均下落速度的1/8左右，而且微飞行器的旋转下落模式为其提供了较好的飞行稳定性。除此之外，它还可以像植物种子一样广泛播撒，有望成为物联网的节点，构建具有空间深度与时间广度的低成本实时监测系统，助力未来疫情监测与病毒防控。

同时发表的新闻与观点文章中，美国康奈尔大学科学家E·法里尔·赫尔博灵写道：“这些装置可以构成动态传感器网络，用于环境监测、无线通信节点，或基于互联网连接设备网络即物联网的各种技术”。赫尔博灵补充说，需要做进一步工作，以理解飞行器在风中会有怎样的行为，以及其他设计（降落伞形和滑翔机形飞行器）表现如何，但她认为目前的成果为增进飞行器能力铺平了道路。

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某些植物种子迎风而起、随风而落，简单的模式其实历经千万年的自然选择演化——能在无主动驱动力的情况下“与风同行”几公里甚至更远的距离，其中包含着特殊的几何结构与精妙的力学设计。借由这种原理，工程师们获得了微飞行器滞空能力提升的灵感，即利用三维结构保持稳定性。这种精确的力学分析，能让微电子器件在飞行和下落中都不会损坏，保证了其未来集成电子系统在空中工作的能力。