В некоторых уголках леса, где много кленовых деревьев, смена сезонов предвещает появление стай самар. Но это не жуки. Иногда их называют кленовыми ключами, вихрями или твистерами, эти семена похожи на изящные лопасти вертолета, вращающиеся с помощью сложной аэродинамики, которая позволяет им разноситься ветром далеко и надолго.
Теперь возьмите этих очаровательных летунов, сделайте их еще более миниатюрными и замените настоящие семена микрочипами. Получится целый рой крошечных электронных устройств в воздухе, каждое из которых потенциально не больше песчинки.
Это близко к тому, что создали инженеры Северо-Западного университета. Они утверждают, что их маленькие крылатые чипы - "микрофлайеры", как они их называют, - являются самыми маленькими летающими объектами, когда-либо созданными человеком. Вскоре они могут стать самым новым, самым миниатюрным способом мониторинга окружающей среды.
Превращение кожных датчиков в летающие чипы
Исследователи из Северо-Западного университета уже давно работают над биотехнологическими датчиками, предназначенными для введения в человеческое тело. Такие устройства уже являются довольно маленькими, но мощными, несущими электронику, которая может помещаться в такие места, как кишечник или кожа, и затем общаться с внешним миром. После выполнения своей работы некоторые из них могут естественным образом раствориться в биологической материи вашего тела.
"Мы всегда считали, что многие из этих базовых технологий могут быть адаптированы и использованы для мониторинга окружающей среды", - говорит Джон Роджерс, биомедицинский инженер Северо-Западного университета и один из ведущих исследователей этого последнего проекта.
Приступая к этой миссии, первой важной задачей было найти способ выпускать и рассеивать их на большой территории - например, размером с крупную ферму. Сначала исследователи думали сделать устройство, которое могло бы летать, буквально хлопая крошечными крылышками, как электронная летучая мышь.
"Это довольно сложная инженерная задача, поэтому мы обратились к другой области биовдохновения в управляемом полете", - говорит Роджерс. Этой областью был мир растений: в частности, семена, которые имеют крылья, помогающие нести их по ветру. Проведя моделирование для точной настройки структуры, исследователи обнаружили, что именно семя кленового дерева подсказало им окончательный дизайн.
Однако, в отличие от кленовых самар, их микрочип трехкрылый. Он также оснащен крошечным источником питания, датчиками для сбора данных, памятью для хранения этих данных и антенной для передачи информации на компьютер или телефон. Но даже если крылья прикреплены к микрочипу, на самом деле они вовсе не электронные.
Летающие чипы в лаборатории
Создание устройства представляло собой еще одну проблему. Микрочипы обычно проектируются, создаются и упаковываются плоскими, в двухмерном пространстве. Но чтобы добиться хоть какого-то полезного полета, крылья устройства должны были распуститься в 3D. Исследователи обошли эту проблему, создав чип на основе растянутой резины. Пусть эта резина отскакивает назад в тщательно продуманной манере, и крылья, по сути, всплывут в полностью функциональное состояние.
Микрофлажок рядом с обычным муравьем показывает, насколько крошечными являются эти существа. Северо-Западный университет"Это первый отчет о подобных концепциях", - говорит Роджерс. "Мы ни в коем случае не готовы к включению производственной линии".
Но исследователи считают, что конструкция имеет потенциал для легкого масштабирования в массовое производство. Тот факт, что микрофлаеры могут быть собраны в той же установке, что и любой другой обычный микрочип, является большим бонусом.
В интересах создания устройств, способных контролировать окружающую среду, исследователи уже испытали свои микролампы в ряде приложений: регистрация pH воды, обнаружение твердых частиц в воздухе и измерение уровня солнечного света. В четверг они опубликовали результаты своей работы в журнале Nature.
Роджерс и его коллеги представляют себе, как в будущем стаи их дрейфующих микрофлаеров будут сбрасываться с самолетов или высоких зданий. Выпущенные над городом, они могли бы измерять уровень загрязнения воздуха на разных высотах. Выпущенные над экологической катастрофой, например, разливом химикатов, они смогут следить за тем, куда не могут попасть люди.
Микрофлаеры могли бы также следить за небом в поисках переносящих болезни частиц, подобных тем, от которых в последние полтора года мир защищается с помощью масок и стеклянных барьеров.
Уборка после работы
Теперь, когда они разработали конструкцию, Роджерс и его коллеги надеются продолжить строительство. Они считают, что этот микрофлайер - лишь начало для нескольких других типов устройств: микрофлайеров, которые летают на парашюте, как семена одуванчика, или скользят, как семена яванского огурца.
Но нет ничего хорошего в том, чтобы следить за состоянием окружающей среды с помощью экологически небезопасных устройств. "Если вы планируете распространять тысячи или даже десятки тысяч крошечных устройств по всей окружающей среде... по сути, вы распространяете электронный мусор?" - спрашивает Роджерс.
Именно здесь пригодится их опыт создания устройств, растворяющихся в человеческом теле: Материалы, которые они используют для изготовления микрофлаеров, могут естественным образом разлагаться в подземных водах (видео об этом можно посмотреть здесь).
Роджерс говорит, что без этого ноу-хау в области растворимости "мы могли бы вообще не начать этот путь исследований".