让芯片飞起来

严毅梅

会飞的芯片

芯片可以飞起来吗？

美国西北大学的研究人员正在为此而努力。他们研制的电子微芯片只有一粒沙子的大小，本身没有飞行动力系统，但是它可以像枫树种子那样旋转着飘落，俨然是一架小小的直升机。研究人员是通过研究枫树和其他类型的风散种子，优化了这种微芯片的空气动力学结构，确保它能以一种可控的方式缓慢下降。这种缓慢降落的方式既能稳定它的飞行方向，又能延迟它在空中的停留时间。这让它非常有希望担负起监测空气污染情况和监测空气传播疾病源头的重要使命。

作为有史以来最小的飞行器，它还可以搭载包括传感器、电源、无线通信天线，以及存储数据的嵌入式存储器等在内的多种设备。

研究人员说：“我们的目标是为这种小规模的电子系统增加飞翼，让它们具有飞行能力，这样就可以监测环境污染、监测人口或监控病情。我们的灵感来自于生物世界的种子，它们在数十亿年的过程中，进化出了复杂的空气动力学结构。我们借用了这些特殊结构，将其应用于电子电路平台。”

飞行器结构可与自然媲美

枫树种子在空中旋转着轻轻落在人行道上，很多人都目睹过这样的情景。这只是一个例子，说明大自然进化出了巧妙、复杂的方法来提高各种植物的存活率，确保种子广泛传播，原本定居的植物可以“远走他乡，安家落户”。它们进化出利用复杂空气动力学特性的结构，可谓造化天成。研究人员说：“这些生物结构被设计成以一种可控的方式缓慢下降，凭借这种方式它们可以尽量延长与风相互作用的时间，以便飞得更远更久。”

为了设计这种微型飞行器，美国西北大学的研究小组探究了许多植物种子的空气动力学结构，最直接的灵感来自于三星藤，这是一种有星形种子的开花藤蔓植物。星形种子有叶片状的“翅膀”，可以随风慢慢旋转。

为了确定最理想的结构，研究人员设计了全尺寸的计算模型，又模拟周围的空气流动，并模拟三星藤种子缓慢、可控地旋转。他们还利用先进的成像和定量流动模式方法，在实验室中建构并测试了各种大小和形状的结构。这些结构的性质甚至能跟自然界种子结构的性质媲美。

微芯片前景广阔

微芯片由两部分组成：毫米大小的电子元件和机翼。当微芯片下落时，翅膀跟空气相互作用从而形成一个缓慢而稳定的旋转运动。电子元件的重心则位于微芯片中心的较低位置，这样能防止它失去控制而坠落。

在演示的例子中，研究团队使用的设备包括传感器、可以收集环境能量的电源、存储器，以及可以将数据无线传输到智能手机、平板电脑或台式电脑上的天线。在实验室里，研究团队用这些电子元件组装成一个设备，用它检测空气中的微粒。在另一个研究中，他们使用了pH传感器来监测水质，并使用光电探测器来测量不同波长的阳光照射。研究人员设想，借助飞机或从高层建筑上大量投放这些设备，将能大范围监测化学品泄漏后的环境修复工作，或跟踪监测大气层不同高度的污染水平。

可消解的微芯片

微芯片产生的电子垃圾怎么处理？

对此，研究人员已经在实验室开发出了瞬态电子元件，这些电子元件可以无害地溶解在水中。现在，研究团队正在使用相同的材料和技术来建造微芯片，它们能随着时间的推移在地下水中自然降解和消失，且不会对环境造成污染。

研究人员说：“我们使用可降解的聚合物、可堆肥的导体和可溶解的集成电子芯片来制造这种瞬态电子系统，暴露在水中时它们会自然消失，成为对环境无害的最终产品。”

将来，随风飘摇的种子里，可能有一片就是执行任務的、会飞的电子微芯片。