Microchip 3D Movido a Vento: Minúscula Plataforma de Sensor Voador Autônomo

Engenheiros adicionaram uma nova capacidade a microchips eletrônicos: voo. Do tamanho de um grão de areia, o novo microchip voador (microflier) não tem motor ou motor. Em vez disso, pega voo no vento — muito como a semente de hélice de uma árvore de bordo — e gira como um helicóptero pelo ar em direção ao solo. Os microfliers também podem ser equipados com tecnologia ultra-miniaturizada, incluindo sensores, fontes de energia, antenas para comunicação sem fio e memória embutida para armazenar dados.

Estudando árvores de bordo e outros tipos de sementes dispersas pelo vento, os engenheiros otimizaram a aerodinâmica do microflier para garantir que, quando solto em alta elevação, ele caia em velocidade lenta de maneira controlada. Este comportamento estabiliza seu voo, garante dispersão em uma área ampla e aumenta o tempo que interage com o ar, tornando-o ideal para monitorar poluição do ar e doenças transmitidas pelo ar.

Para projetar os microfliers, a equipe estudou a aerodinâmica de sementes de várias plantas, obtendo sua inspiração mais direta da planta tristellateia, uma videira florida com sementes em forma de estrela. Sementes de tristellateia têm asas laminares que pegam o vento para cair com uma rotação lenta e controlada.

A equipe projetou e construiu muitos tipos diferentes de microfliers, incluindo um com três asas, otimizado para formas e ângulos semelhantes às asas em uma semente de tristellateia. Para identificar a estrutura mais ideal, modelagem computacional em escala real foi feita de como o ar flui ao redor do dispositivo para imitar a rotação lenta e controlada da semente de tristellateia.

Baseado nesta modelagem, a equipe então construiu e testou estruturas no laboratório, usando métodos avançados de imagem e quantificação de padrões de fluxo. As estruturas resultantes podem ser formadas em uma ampla variedade de tamanhos e formas.

Para fabricar os dispositivos, a equipe se inspirou em outra novidade familiar: um livro pop-up infantil. A equipe primeiro fabricou precursores de estruturas voadoras em geometrias planas e planares. Então, eles colaram esses precursores em um substrato de borracha ligeiramente esticado. Quando o substrato esticado é relaxado, um processo controlado de flambagem ocorre que faz as asas "saltarem" para formas tridimensionais precisamente definidas.

Os microfliers compreendem duas partes: componentes funcionais eletrônicos de tamanho milimétrico e suas asas. À medida que o microflier cai pelo ar, suas asas interagem com o ar para criar um movimento rotacional 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 incluiu sensores, uma fonte de energia que pode colher energia ambiente, armazenamento de memória e uma antena que pode transferir dados sem fio para um smartphone, tablet ou computador. A equipe equipou um dispositivo com todos estes elementos para detectar particulados no ar. Em outro exemplo, incorporaram sensores de pH que poderiam ser usados para monitorar qualidade da água e fotodetectores para medir exposição solar em diferentes comprimentos de onda.

Grandes números de dispositivos poderiam ser soltos de um avião ou edifício e amplamente dispersos para monitorar esforços de remediação ambiental após um vazamento químico ou rastrear níveis de poluição do ar em várias altitudes.

Os sistemas eletrônicos fisicamente transitórios usam polímeros degradáveis, condutores compostáveis e chips de circuito integrado dissolvíveis que naturalmente desaparecem em produtos finais ambientalmente benignos quando expostos à água.