张一慧课题组合作研制一种力学组装的仿风传种子三维微电子飞行器

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传统微型飞行器通常使用扑翼、旋翼或喷气的主动驱动方式作为飞行动力，需要较大的能量供给，主动驱动组件结构复杂，小型化难度大、难以长续航。风传种子历经演化，可在无主动驱动力的情况下，被动地随风飞行几公里甚至更远。
         清华大学张一慧课题组与美国西北大学约翰•罗杰斯（John A. Rogers）、黄永刚课题组、伊利诺伊大学香槟分校莱昂纳多·查莫罗（Leonardo P. Chamorro）课题组合作，以风传种子为灵感，设计了一种屈曲力学组装的三维微电子飞行器，实现了微电子器件被动、长时间、远距离飞行。
课题组采用2015年合作提出的屈曲力学引导的三维组装，将二维前驱体结构选择地粘接在预拉伸基底，释放预应变实现结构的压缩屈曲，完成二维到三维构型的转变。通过有限元模拟设计一系列精巧的三维飞行器结构（图1），解决了结构重量问题。通过流体力学模拟了二维结构下落中的翻转、颤动过程以及风传种子三维结构在下落过程中的稳定性，建立了流固耦合理论模型，揭示了旋落过程的运动机理，实现了长时间滞空。

图1.三维飞行器结构的引导屈曲组装过程与大规模多尺度制备

          基于理论研究与结构设计，利用有限元模拟电子系统的组装过程。在飞行结构上集成微电子器件，包含天线、微控制芯片和紫外传感器。高空释放后，可对空气污染物长时实时监测。集成不同芯片，有望实现城市传染病病原体分布监测等。其可成为未来飞行器“物联网”节点，助力疫情监测与防控（图2）。

图2.三维微飞行器结构及空气污染物检测演示

          研究成果于9月22日在《自然》（Nature）期刊以长文形式发表，题目《受风传种子启发的三维电子微型飞行器》（Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds），为同期的封面文章（图3）。

图3.相关工作被选为《自然》期刊的封面文章

          清华大学张一慧教授、美国西北大学约翰•罗杰斯院士、美国伊利诺伊大学香槟分校莱昂纳多·查莫罗副教授和美国西北大学黄永刚院士为该文章的共同通讯作者。韩国崇实大学助理教授金奉勋（Bong Hoon Kim）、剑桥大学博士后厉侃（清华大学钱学森力学班毕业）、美国西北大学博士后金镇泰（Jin-Tae Kim）和朴尹锡（Yoon seok Park）为文章的共同第一作者。清华大学张一慧组博士后宋洪烈参与了此项研究，为本文的共同作者之一。该研究成果得到了国家自然科学基金委原创探索计划项目、国家自然科学基金委创新研究群体等项目的资助。
         论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y


       文章来源：清华大学
       张一慧，清华大学航天航空学院工程力学系副教授。2006年在南京航空航天大学飞行器设计与工程专业获学士学位，2011年在清华大学工程力学系获博士学位。2011年至2015年在美国西北大学土木与环境工程系先后担任Postdoctoral Fellow和Research Assistant Professor。2017年获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助。他的主要研究兴趣包括力学引导的微尺度三维结构组装，柔性可延展电子器件，软质多孔材料等。至今已发表SCI论文70余篇，其中《Science》2篇，《Cell》1篇，《Nature》子刊10篇，《Science》子刊1篇，《PNAS》4篇，力学领域顶级期刊《JMPS》8篇，材料学权威期刊《Advanced Functional Materials》7篇，《ACS Nano》2篇。获《麻省理工学院技术评论》“全球35位35岁以下创新者”（2016）、香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”（2016）、美国机械工程师协会最高论文奖梅尔维尔奖章Melville Medal（2017）、美国机械工程师协会应用力学部杰出论文奖Journal of Applied Mechanics Award（2017）、国际工程科学协会青年学者奖章（2018）等荣誉。