前沿 | 史上最小！带翅膀的飞行芯片将用于检测疾病

最近西北大学的工程师们发明了人类迄今为止制造出的最小飞行器——飞行芯片。

飞行芯片的设计灵感来自开花藤本植物三星葵的星形种子，它的翅膀能够像蒲公英种子一样实现无主动驱动的长时间、远距离飞行。

整个"电子飞行芯片"大约只有一粒沙子的大小，却搭载了非常强大的电子功能部件，可用于监测空气污染和下降途中的任何空气传播疾病。

这一成果作为封面，刊登在9月22的《自然》杂志上，引发了大量国际媒体的报道。

课题由约翰罗杰斯研究小组主导，与西北大学奎里·辛普森生物电子研究所、伊利诺伊大学、中国清华大学、韩国松实大学和中国华中科技大学全球科学家团队合作完成。

下面就让我们来详细看看，“飞行芯片”到底厉害在哪？

像沙子飘在空中

这一微芯片就像一粒沙子一样小，由传感器，存储器，从自然环境中收集能量的电源，将细节无线传输到小工具的天线和pH传感器组成。

研究人员表示，当飞行芯片飘在空气中时，它可以用来监测人口，空气污染和空气传播的疾病。飞行芯片非常轻巧，可以比无人机等现有监控设备更有效地工作。

飞行芯片还具有加载微型技术的能力，如传感器，电源，用于无线通信的天线和嵌入式存储器，能够存储数据并传回计算机或手机。

传统微飞行器的设计通常基于主动驱动模块，模仿昆虫或鸟类等使用扑翼、旋翼等方式使微飞行器实现飞行。

这类主动驱动模块结构复杂、难以小型化集成，无法避免产生噪音，隐蔽性较差。此外，主动驱动方式能耗极大，难以完成长时间、远距离巡航。

为了让芯片实现无动力飞行工程师参考了自然界中种子靠风传播的动力学。

以风传植物种子作为灵感，采用力学引导屈曲自组装的方式设计了微飞行器的三维结构，并在这种微小的结构上成功的集成了复杂的电子电路系统，可依据需要完成诸如空气污染物大范围、长时间实时监测等功能。

图为微飞行器下落机理与旋落稳定性分析

该类飞行器在空气中以极小的速度下落，能够长时间滞空。其下落速度约0.28m/s，约为雪花速度的1/8。

仿生植物种子的三维结构可以进一步减缓下落速度，并使其飞行状态更加稳定。该工作主要致力于理解这类飞行器的旋转下落机理，通过数值仿真结合理论模型分析解析了其背后的基本物理原理，建立了下落速度与稳定性设计的物理模型，为将来该类飞行器的设计提供了指导思路。

研究团队还开发了一种受儿童立体书启发的制作工艺。

他们创造了平面的飞行结构，然后将其粘合到稍微拉伸的橡胶基材上，当基材松弛时，机翼便“弹出”形成三维形状。

不过，大量的飞行芯片难以回收，为了实现环境友好，罗杰斯团队使用了可以无害地溶解在水中的材料和技术。

罗杰斯表示："我们使用可降解的聚合物，可制成堆肥的导体和可溶解的集成电路芯片制造这种物理瞬态电子系统，当暴露于水中时，这些芯片会自然降解成无害的最终产物。"

随之而来的阴谋论

在这一令人兴奋成果发布不久之后，部分媒体也乘机赚取眼球，对“会飞的芯片”可能引发的阴谋论做出了预测，毕竟民众对新科技的看法往往是不够理性的。

作家乔·奎南（Joe Queenan）在《华尔街日报》发文称，阴谋论者会认为政府机构将利用飞行微芯片来监视公民。

毕竟有不少人已经确信微芯片被植入在新冠疫苗、信用卡甚至柠檬蛋白酥皮中了。

那么这些人也有理由认为，政府正在利用飞行微芯片来监视它们，或者使用飞行微芯片对他们的后院进行地毯式轰炸，或者飘到他们的烟囱里，看看他们与谁有联系，是否在纳税，以及他们是否有计划夺取萨姆特堡。

以上荒谬的想法也许仅仅是乔·奎南对反科学阴谋论者的讽刺，不过他也同时提到，即使我们不是这样的偏执狂，也可能怀着惶恐的心情看待能够飞行、收集数据的微芯片。

无处不在的眼睛《华尔街日报》配图

虽然这项发明无疑是伟大的，但是一旦飞行芯片落入有心人之手，它们就可能被用来监视商务会议、军事战略会议，甚至好莱坞制片厂。

当然从实用的角度去看，这一技术的确具有广阔的应用空间。罗杰斯研究小组在九月份的《自然》杂志上写道："大型小型无线电子设备的分布式集合可能构成未来环境监测，人口监测，疾病管理和其他需要覆盖广阔空间尺度的应用系统的基础。”

柔性电子之父，三院院士John A. Rogers

约翰罗杰斯John A. Rogers教授是国际著名材料学家、物理学家及化学家，现为美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院三院院士。

他的主要研究方向为非常规电子器件材料及制造。近十年来在仿生电子器件的设计与制造、可穿戴生物医学电子器件等领域始终走在最前端，取得众多研究成果，成为业界领军人物。

他开创的柔性电子技术研究开启了传统硬质无机电子技术产业从”硬”到”柔”的跨越，对于推动柔性电子技术成为融合数字、物理和生物世界的变革性力量，改变未来世界生活形态的可能性都具有非凡的意义。

罗杰斯教授于1967年出生于美国，1989年本科毕业于德克萨斯大学奥斯汀分校的化学/物理专业，1992年收获MIT(麻省理工学院)的物理和化学硕士学位，1995年博士毕业于MIT的物理化学专业，博士期间参与创办了Active Impulse Systems 公司。

他于2016年9月加入美国西北大学，成为材料科学与工程、生物医学工程、机械工程、电气工程与计算机科学、化学以及神经外科Louis Simpson and Kimberly Querrey讲座教授，同时期开始担任西北大学新建立的生物集成电子中心的教授兼主任。

罗杰斯教授几十年来在柔性电子器件研究方面建树颇丰，其微流体光纤(2004年)、可拉伸硅(2006年)、生物可降解电子器件(2010年)、以及转换效率破纪录的太阳能电池(2012年)先后4次入选麻省理工技术评论年度十大技术突破。

飞行芯片与蒲公英种子

罗杰斯课题组成员最主要来自美国、中国和韩国，尤其博士后成员大部分来自韩国。

飞行芯片的研究是罗杰斯课题组与西北大学奎里·辛普森生物电子研究所、伊利诺伊大学、中国清华大学、韩国松实大学和中国华中科技大学全球科学家团队合作完成。

此次在自然杂志发表的论文由华中科技大学机械学院厉侃教授与韩国崇实大学助理教授金奉勋（Bong Hoon Kim）、美国西北大学博士后金镇泰（Jin-Tae Kim）、朴尹锡（Yoon seok Park）为共同第一作者。

美国西北大学John Rogers院士、黄永刚院士、清华大学张一慧教授和美国伊利诺伊大学香槟分校Leonardo Chamorro教授为本文共同通讯作者。

突破生活形态的柔性生医系统

罗杰斯教授课题组目前在仿生电子器件的设计与制造、可穿戴生物医学电子器件等研究领域走在世界最前沿。

同时在纳米和分子尺度制造的基础和应用方面也做出了重大的贡献，对非常规电子和光子设备的材料和图案化技术的发展起到关键作用，特别是在生物集成和生物启发系统的成就尤为突出。

浏览罗杰斯教授课题组的专属页面可以发现不少令人耳目一新的柔性电子技术。

比如用于新生儿重症监护中生命体征无线监测的类皮肤设备。

这种类皮肤设备无电池、“表皮”电子设备具有先进的数据传输、传感器内分析和双节点功能，可实现完整生命体征信息的无线临床级测量。与传统的硬接线监测系统相比，这些技术大大降低了新生儿娇嫩皮肤受伤的风险，消除了对婴儿自然运动的限制，促进了亲子之间的皮肤接触和亲子关系。

还有这款皮肤集成柔性电子系统，这一系统可作为虚拟现实的触觉接口。

与眼睛和耳朵相比，皮肤是 VR/AR 技术相对未开发的一个接口。它可以极大地增强虚拟体验。罗杰斯团队开发了一种无线、无电池的电子系统平台和触觉界面，可轻柔地贴在皮肤上，通过时空可编程的机械振动模式传达信息。

皮肤可以为身体提供交流和感官输入，由此产生的表皮 VR 系统将创造许多新机会。比如社交媒体/个人参与、游戏/娱乐和假肢控制/反馈等。

柔性电子被认为是电子行业的未来，因为柔性电子产品可以弯曲、伸展，有时甚至还是可穿戴的，给出人类的生命体征数据，柔性电子技术已经成为美国政府研究的重要课题，许多研究机构和公司都投入资金研究柔性材料。

从更广阔的全球柔性电子市场上来看，柔性电子作为最前沿的科技，将不可逆转地在未来几年呈飞速发展势态。

据相关数据显示，柔性电子是成为未来五年增速最快的行业之一，至2025年预计市场规模将达到3049.4亿美元，年化复合增长率将达到惊人的144.71%。

这些突破性的创新有望融合数字、物理和生物世界的变革性力量，极有可能改变未来世界的生活形态。

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