Micro-puce 3D éolienne : minuscule plateforme de capteur volant autonome

Les ingénieurs ont ajouté une nouvelle capacité aux micro-puces électroniques : le vol. De la taille d'un grain de sable, la nouvelle micro-puce volante (microflier) n'a ni moteur ni moteur. Au lieu de cela, elle prend son envol sur le vent — un peu comme la graine hélicoptère d'un érable — et tourne comme un hélicoptère dans l'air vers le sol. Les microfliers peuvent également être équipés de technologies ultra-miniaturisées, notamment des capteurs, des sources d'alimentation, des antennes pour la communication sans fil et de la mémoire intégrée pour stocker des données.

En étudiant les érables et d'autres types de graines dispersées par le vent, les ingénieurs ont optimisé l'aérodynamique du microflier pour garantir que lorsqu'il est largué à haute altitude, il tombe à une vitesse lente de manière contrôlée. Ce comportement stabilise son vol, assure une dispersion sur une large zone et augmente le temps d'interaction avec l'air, le rendant idéal pour la surveillance de la pollution de l'air et des maladies aéroportées.

Pour concevoir les microfliers, l'équipe a étudié l'aérodynamique des graines de plusieurs plantes, tirant son inspiration la plus directe de la plante tristellateia, une vigne fleurie aux graines en forme d'étoile. Les graines de tristellateia ont des ailes lamellaires qui attrapent le vent pour tomber avec une rotation lente et contrôlée.

L'équipe a conçu et construit de nombreux types de microfliers, dont un à trois ailes, optimisé avec des formes et angles similaires aux ailes d'une graine de tristellateia. Pour identifier la structure la plus idéale, une modélisation computationnelle à grande échelle a été réalisée sur la façon dont l'air s'écoule autour du dispositif pour imiter la rotation lente et contrôlée de la graine de tristellateia.

Sur la base de cette modélisation, l'équipe a ensuite construit et testé des structures en laboratoire, en utilisant des méthodes avancées d'imagerie et de quantification des motifs d'écoulement. Les structures résultantes peuvent être formées dans une grande variété de tailles et de formes.

Pour fabriquer les dispositifs, l'équipe s'est inspirée d'une autre nouveauté familière : un livre pop-up pour enfants. L'équipe a d'abord fabriqué des précurseurs de structures volantes en géométries planes et plates. Ensuite, ils ont collé ces précurseurs sur un substrat en caoutchouc légèrement étiré. Lorsque le substrat étiré est relâché, un processus de flambage contrôlé se produit qui fait « surgir » les ailes dans des formes tridimensionnelles précisément définies.

Les microfliers comprennent deux parties : des composants fonctionnels électroniques de taille millimétrique et leurs ailes. Alors que le microflier tombe dans l'air, ses ailes interagissent avec l'air pour créer un mouvement de rotation lent et stable. Le poids de l'électronique est réparti bas au centre du microflier pour l'empêcher de perdre le contrôle et de chuter chaotiquement au sol.

Dans les exemples démontrés, l'équipe a inclus des capteurs, une source d'alimentation capable de capter l'énergie ambiante, un stockage de mémoire et une antenne capable de transférer sans fil des données vers un smartphone, une tablette ou un ordinateur. L'équipe a équipé un dispositif de tous ces éléments pour détecter les particules dans l'air. Dans un autre exemple, ils ont incorporé des capteurs de pH qui pourraient être utilisés pour surveiller la qualité de l'eau et des photodétecteurs pour mesurer l'exposition au soleil à différentes longueurs d'onde.

De grands nombres de dispositifs pourraient être largués d'un avion ou d'un bâtiment et largement dispersés pour surveiller les efforts de remédiation environnementale après une fuite chimique ou pour suivre les niveaux de pollution de l'air à diverses altitudes.

Les systèmes électroniques physiquement transitoires utilisent des polymères dégradables, des conducteurs compostables et des puces de circuits intégrés dissous qui disparaissent naturellement en produits finaux environnementalement bénins lorsqu'ils sont exposés à l'eau.