Microchip volante grande come un granello di sabbia

Settembre 28 2021

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Edoardo Capuano
Posted By: Capuano Edoardo
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Microchip volante grande come un granello di sabbia

Costruito con tecnologia ultra-miniaturizzata il microchip volante più piccolo mai sviluppato, capace di planare, percorrere grandi distanze e atterrare.

Il nuovo microchip volante (o “microflier”), descritto su Nature, (1) le cui dimensioni sono pari a un granello di sabbia, non ha un motore che lo aziona, ma cattura il volo sul vento - molto simile a un seme ad elica dell'albero di acero - e svolazza come un elicottero attraverso l'aria.

Studiando le dinamiche di volo nell'aria dei semi degli alberi di acero e altri tipi di semi dispersi, gli ingegneri hanno ottimizzato l'aerodinamica del microflier per garantire che - quando cade ad un'altezza elevata - atterra a una velocità lenta in modo controllato. Questo comportamento stabilizza il volo, garantisce dispersione su un'ampia area e aumenta la quantità di tempo che interagisce con l'aria, rendendolo ideale per il monitoraggio dell'inquinamento atmosferico e delle malattie aeree.

Delle strutture volanti più piccole, questi microfliers possono anche essere confezionati con tecnologia ultra-miniaturizzata, inclusi sensori, fonti di alimentazione, antenne per la comunicazione wireless e la memoria incorporata per memorizzare i dati.

Il dottor John A. Rogers, (2) che ha condotto lo sviluppo del dispositivo, dice: «Il nostro obiettivo era quello di aggiungere il volo alato ai sistemi elettronici su piccola scala, con l'idea che queste capacità ci consentirebbero di distribuire dispositivi elettronici altamente funzionali e miniaturizzati per percepire l'ambiente per il monitoraggio della contaminazione, la sorveglianza, il controllo della popolazione e il monitoraggio delle malattie. Lo abbiamo creato ispirandoci al mondo biologico. Nel corso dei miliardi di anni, la natura ha progettato semi con aerodinamica molto sofisticata. Abbiamo preso in prestito quei concetti di progettazione, adattati e applicati a piattaforme circuitali elettroniche».

Il dottor John A. Rogers è considerato un pioniere in bioelettronica, Rogers è il Professore di Louis Simpson e Kimberly Querery del Materials Science e Engineering, Biomedical Engineering e Neurological Surgery della McCormick School of Engineeringand (3) e del Feinberg School of Medicine (4) e direttore del Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. (5) Il dottor Yonggang Huang, (6) che svolge l'attività di professore presso il Jan and Marcia Achenbach of Mechanical Engineering at McCormick, ha guidato il lavoro teorico dello studio.

Competere con la natura

La maggior parte delle persone avrà visto come il seme di acero, con una foglia a vortice, svolazza nell'aria atterrando delicatamente sul suolo. Questo è solo un esempio di come la natura ha evoluto metodi intelligenti e sofisticati per aumentare la sopravvivenza di varie piante. Assicurando che i semi siano ampiamente dispersi, gli alberi sedentari possono propagare la loro specie su vaste distanze per popolare aree ampie.

Il dottor John Rogers spiega che «L'evoluzione era probabilmente la forza trainante per le sofisticate proprietà aerodinamiche esposte da molte classi di semi. Queste strutture biologiche sono progettate per cadere lentamente e in modo controllato, con una dinamica che gli permette di interagire con i modelli di vento per il periodo di tempo più lungo possibile. Questa funzione massimizza la distribuzione laterale tramite meccanismi puramente passivi (airborne mechanisms)».

Per progettare i microfliers, il team ha studiato l'aerodinamica di un certo numero di semi di piante. Il disegno del dispositivo si ispira alla pianta della tristellateia, una vite da fiore con semi a forma di stella. I semi della tristellateia hanno ali a lama che catturano il vento per poi scendere sul suolo con una rotazione lenta.

Il dottor Rogers e il suo team hanno progettato e costruito molti tipi diversi di microfliers, tra cui uno con tre ali, ottimizzati a forme e angoli simili come le ali su un seme di tristellateia. Per individuare la struttura più ideale, l'ingegner Yonggang Huang ha condotto la modellazione computazionale a fondo scala di come l'aria scorre attorno al dispositivo per imitare la rotazione lenta del seme della tristellateia.

Sulla base di questa modellazione, il gruppo di Rogers ha quindi costruito e testato strutture in laboratorio, utilizzando metodi avanzati per l'imaging e la quantificazione dei modelli di flusso in collaborazioni con il dottor Leonardo Chamorro, (7) un professore associato di ingegneria meccanica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Le strutture risultanti possono essere formate attraverso un'ampia varietà di dimensioni e forme, alcune con proprietà che possono quasi competere con la natura.

«Pensiamo che abbiamo battuto la natura», ha detto Rogers. «Almeno nello stretto senso che siamo stati in grado di costruire strutture che rientrano con traiettorie più stabili e con velocità terminali più lente dei semi equivalenti che vedresti da piante o alberi. Siamo stati anche in grado di costruire queste strutture di volo in 'stile elicottero' a taglie molto più piccole di quelle che si trovano in natura. Questo è importante perché la miniaturizzazione del dispositivo rappresenta la traiettoria di sviluppo dominante nel settore dell'elettronica, dove i sensori, le radio, le batterie e altri componenti possono essere costruiti in dimensioni sempre più piccole».

Dalle piante a una struttura geometrica tridimensionale mobile

Per fabbricare i dispositivi, la squadra di Rogers ha seguito queste procedure:

Per prima cosa, la sua équipe ha concepito prima i precursori fabbricati alle strutture volanti nelle geometrie pianeggianti. Quindi, ha incollato questi precursori su un substrato in gomma leggermente teso. Quando il substrato allungato è rilassato, si verifica un processo di instabilità controllato che fa sì che la struttura geometrica delle ali assuma forme tridimensionali definite con precisione.

«Questa strategia di costruzione di strutture 3D da 2D precursori è potente perché tutti i dispositivi del semiconduttore esistenti sono costruiti in layout planare», spiega Rogers. «Possiamo quindi sfruttare i materiali più avanzati e i metodi di produzione utilizzati dall'industria dell'elettronica di consumo per creare disegni completamente standard, piatti e disegni simili a chip. Quindi, li trasformiamo solo in forme di volo 3D da principi simili a quelli di unstruttura geometrica tridimensionale mobile».

I microfliers comprendono due parti: componenti funzionali elettronici di dimensioni millimetriche e le loro ali. Mentre il microflier cade attraverso l'aria, le sue ali interagiscono con l'aria per creare un movimento rotazionale lento e stabile. Il peso dell'elettronica è distribuito nel centro del microflier per evitare che perdendo il controllo precipiti a terra.

In dimostrate sperimentazioni, il team di Rogers 'ha incluso ai sensori, una fonte di alimentazione che può raccogliere energia ambientale, memoria della memoria e un'antenna che può trasferire in modalità wireless i dati su uno smartphone, tablet o computer.

Nel laboratorio, il gruppo Rogers ha creato un dispositivo con tutti questi elementi per rilevare il particolato nell'aria. In un altro esempio, hanno incorporato sensori di pH che potrebbero essere utilizzati per monitorare la qualità dell'acqua e i foto detettori per misurare l'esposizione al sole a diverse lunghezze d'onda.

il dottor Rogers immagina che un aereo in volo potrebbe rilasciare un gran numero di questi dispositivi con l'obiettivo di monitorare gli sforzi di rimedio ambientale dopo, ad esempio, una fuoriuscita di sostanze chimiche o per monitorare i livelli di inquinamento atmosferico in varie altitudini.

«La maggior parte delle tecnologie di monitoraggio coinvolgono la strumentazione alla rinfusa progettata per raccogliere dati localmente ad un piccolo numero di posizioni in un'area di interesse spaziale», ha detto Rogers. «Immaginiamo una grande molteplicità di sensori miniaturizzati che possono essere distribuiti ad un'alta densità spaziale su vaste aree, per formare una rete wireless».

Scarti elettronici

Ma che dire di tutti gli scarti elettronici? Il dottor Rogers ha un piano per quello. Nel suo laboratorio (8) ci sono attrezzi e circuiti che possono dissolversi in acqua nel momento in cui non sono più necessari - come dimostrato nel recente lavoro sui pacemakers bioriassorbibili. (9) Ora la sua squadra sta usando gli stessi materiali e tecniche per costruire microfliers che degradano naturalmente e scompaiono in acque sotterranee nel tempo.

«Costruiamo sistemi di elettronica fisicamente transitoriale utilizzando polimeri degradabili, conduttori compostabili e circuiti integrati dissolvibili che svaniscono naturalmente nei prodotti finali ecologicamente benigni quando esposti all'acqua», ha detto Roger. «Riconosciamo che il recupero di grandi collezioni di microfliers potrebbe essere difficile. Per affrontare questa preoccupazione, queste versioni ridotte si dissolvono in maniera del tutto naturale senza cagionare alcun danno ecologico».