全球最小飞行结构只有笔芯大小，灵感来自枫树种子

史上最小的人造飞行结构诞生了，由十几个中外团队共同攻关。

它甚至比笔芯还要小，可以像种子一样在空中旋转下落。

微型飞行器由电子功能部件和机翼两部分组成，尺寸都是从微米到毫米。

当它在空中下落时，翅膀会和空气相互作用，借此就能做出缓慢、且稳定的旋转运动。

当它在空下落时，它的翅膀会与空气相互作用，这样它就能缓慢而稳定地旋转。

相关论文成为了本期《自然》的封面论文，题目是《受风载种子启发的三维电子微型飞行器》。“我们认为我们战胜了自然”

诗人顾城说:“草在结籽，风在摇叶。我们站着不说话的时候很美。”西师大版第四册《白马上的苍耳》云:“蒲公英种子，冯婆婆打着小伞送来。”

在艺术作品中， 种子特别是会飞的种子，始终是浪漫意象的存在。如今，种子竟然启发了一篇Nature封面论文。

在艺术作品中，种子，尤其是飞来的种子，永远是浪漫意象的存在。现在，这种种子启发了一种自然封面纸。

清华大学航空航天空学院工程力学系长期教授张说，这篇论文之所以出现在封面上，是因为搭载微电子器件的飞行器可以做得这么小，在空内长时间停留，还可以用于环境监测或其他信息探测。另外，科学本身具有一定的艺术性，这种设备的艺术美是非常难得的。

只有笔芯大小的分散式微型飞行器，拥有监测空空气污染、空空气传播疾病、环境污染等多项技能，最重要的是它会飞。

之前的大多数电子飞行器的驱动方式都是主动型，这类微型飞行器由于机械部件和设计较为复杂，在小型化方面一定的局限性。尤其是要在小型化的同时提供飞行所消耗的巨大能量是十分困难的。

以前，大多数电子飞机都是由主动式驱动的。由于复杂的机械部件和设计，这些微型飞行器在小型化方面有一定的局限性。尤其是在小型化的同时提供飞行所消耗的巨大能量是非常困难的。

但是，该设备不需要发动机驱动，而是依靠自然风来飞行。

像一颗枫树种子，飞进空。当它从空下降到地面时，也会像直升机一样，不断旋转后平稳着陆。

正是通过对枫树种子等依靠风力去接种等植物种子的研究，该团队从空气动力学方面，对微型飞行器进行了优化，从而确保它从高空降落时，能以受控的低速降落。

正是通过对枫树种子和其他依靠风来接种的植物种子的研究，团队从空空气动力学方面对微型飞行器进行了优化，以确保其在从高空着陆时能够以受控的低速着陆。

控制降落速度，既能保证飞行更加平稳，又能使其在空更大范围内飞行，从而也增加了它与空气体的相互作用时间，从而使其更好地监测空空气污染和空气传疾病。

微型飞机配备了各种超小型化技术，包括传感器、电源、无线通信天线和用于存储数据的嵌入式存储器。

美国四院院士、美国西北大学材料科学与工程系教授约翰·A·罗杰斯担任论文共同通讯作者，他也是该研究的主要领导者之一，其告诉媒体该研究的主要目标是让小型电子系统具备有翼飞行的功能，从而让它分散到更远的地方，去执行环境感知、污染监测、人口监测或疾病跟踪等功能。

美国四院院士、西北大学材料科学与工程系教授约翰·罗杰斯(John A. Rogers)担任论文的共同通讯作者。他也是该项研究的主要负责人之一，并对媒体表示，研究的主要目标是让小型电子系统具备有翼飞行的功能，从而可以分散到更远的地方执行环境感知、污染监测、人口监测或疾病追踪等功能。

这项研究之所以成功，是因为它受到了生物界的启发。在数十亿年的自然历史中，大自然设计了非常复杂空空气动力学的种子。本研究也借鉴了这些设计理念，并将其应用到微型飞行器的电子电路中。

枫叶的螺旋桨状种子， 在空中旋转之后，就会缓慢平稳地降落地面，这正是大自然提高植物存活率的一个例子。正因此，原本无法自行移动的枫叶种子能传播得更广，枫树后代也能繁殖到更远的地方。

枫叶螺旋桨状的种子，在空中旋转后，会缓慢平稳地降落在地面上，这是大自然提高植物成活率的一个例子。因此，原本无法自行移动的枫叶种子可以传播得更广，枫树后代可以在更远的地方繁殖。

因此，自然界中的许多种子都表现出空复杂而巧妙的空气动力学特性。在这个微型飞行器的设计过程中，团队研究了多种植物种子的空气动力学特性，并从植物杨桃藤中找到了最直接的灵感。

星藤是一种开花的藤本植物，种子呈星形。它的种子有叶状的翅膀，在风中可以随风慢慢旋转。

在设备的开发设计过程中，一开始该团队设计并制造了多款微型飞行器，其中包括一款与星果藤种子十分相似的带有三个翅膀的飞行器。

在设备的开发和设计过程中，起初，团队设计制造了许多微型飞机，包括一架三翼飞机，这与杨桃藤的种子非常相似。

为了确定最理想的结构，他们设计了一个模型进行全尺寸计算。通过模拟周围空的气流，他们最终从微型飞行器上模拟出了陆英种子缓慢可控的旋转。

接下来，研究人员在实验室中使用先进的成像和定量流动模式来构建和测试MAV的结构。

在张一慧教授、美国西北大学黄永刚院士领导设计出的飞行器结构模型的基础上，罗杰斯院士带领的团队随后进一步开展了与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械工程副教授莱昂纳多· 查莫罗之间的合作， 在合作中，他们使用先进成像和定量流动模式的方法，在实验室中建造并测试了结构。

在西北大学张教授和院士设计的飞机结构模型的基础上，Rogers院士领导的团队随后与伊利诺伊大学香槟分校机械工程副教授Leonardo Chamorro进一步合作。在合作中，他们使用先进的成像和定量流动模式在实验室中建立和测试结构。

采用芯片设计。

为了制造这些设备，该团队从另一个熟悉的新奇事物中获得了灵感，这是一本许多孩子都读过的弹出式立体声书。

在准备过程中，研究人员首先在平板中制作了飞行结构的前体。然后，将这些前体粘附到稍微拉伸的橡胶基材上。

当原来拉伸的基座松弛时，会发生预控屈曲过程，然后机翼会“弹出”，可以形成精确定义的三维形状。

这是一种从2D平面结构中制造3D结构的巧妙策略，此前曾在2015年登上《科学》杂志的封面。由于现有半导体设备都是基于平面结构制造的，因此他们可利用消费电子行业正使用的先进材料和制造方法，来对设备进行芯片式的设计。然后，再根据类似于弹出式书籍的原理， 就能把它们转换成3D飞行器的形状。

这是一个从2D平面结构制作3D结构的聪明策略，此前曾登上2015年《科学》杂志的封面。由于现有的半导体器件都是基于平面结构制造的，它们可以利用消费电子行业中使用的先进材料和制造方法来设计芯片上的器件。然后根据类似于弹出式书籍的原理，可以将其转换成3D飞机的形状。

此外，他们将电子元件的重心放在设备的较低位置，以免因失控而坠落地面。

经过以上步骤，最终诞生了各种大小和形状的结构，有些结构甚至堪比自然界的天然种子。

罗杰斯院士认为从某种程度上讲，该团队战胜了自然。至少从狭义上，他们设计并制造出的微型飞行器，比植物或树木种子具备更加稳定的轨迹、以及更慢的下落速度，体积上也比很多自然界的种子要小， 甚至没有沙粒大。而设备小型化正是电子行业的主导发展轨迹。

罗杰斯院士认为，在某种程度上，团队战胜了自然。至少从狭义上来说，他们设计制造的微型飞行器比植物或树木的种子具有更稳定的轨迹和更慢的下落速度，体积也比许多自然种子要小，甚至比沙粒还要小。设备的小型化是电子工业的主导发展轨迹。

可用于环境监测和水质监测。

利用微型飞行器，加上传感器、存储器、可以收集环境能量的电源和数据线，可以组装空空气粒子检测设备。

其实它和互联网结合，扔到山野里，就能监测环境污染。

而给它搭载上pH传感器，还可用于监测水质。另外，搭载上光电探测器，则可用于测量不同波长的阳光照射。

它可以配备一个pH传感器，也可以用来监测水质。此外，光电探测器可用于测量不同波长的太阳光。

目前，许多监测技术在实践中必须使用大型设备。该团队假设，如果这种设备从飞机或建筑物上掉落并广泛分散，它可以监测化学品泄漏后的环境修复，还可以跟踪空气体不同高度的污染水平。

鉴于微型飞行器“超迷你”体积，那么就能高密度、大范围地分布，从而实现无线网络一般的检测。

鉴于MAV的“超迷你”体积，可以高密度、大范围分布，从而实现无线网络的通用探测。

同时，该团队还考虑了电子垃圾可能带来的问题。在废旧设备回收方面，他们研发了一种瞬态电子装置，可以在“死亡”后以无害的方式溶解于水。

目前该装置已应用于生物可吸收起搏器，效果得到验证。目前，他们正在使用相同的材料——可降解聚合物、可堆肥导体和可分解集成电路芯片来制造微型飞行器。

未来，一旦它不小心落入水中，就能自动溶解，实现真正的“事了拂衣去”。

以后，一旦不小心掉进水里，就会自动溶解，实现真正的“刷衣服”。

张表示，清华团队在微型电子飞行器工作上的贡献主要包括三个方面，一是受风载种子启发的仿生结构设计；其次，飞机结构三维装配的反求设计和力学分析；第三，飞行器结构自旋的流场模拟和稳定性分析。(综合报道)(编辑/唐珂)