Microchip 3D Impulsado por Viento: Pequeña Plataforma Autónoma de Sensores Voladores

Los ingenieros han añadido una nueva capacidad a los microchips electrónicos: el vuelo. Del tamaño de un grano de arena, el nuevo microchip volador (microflier) no tiene motor ni motor. En su lugar, atrapa el vuelo en el viento —muy parecido a la semilla helicoidal de un arce— y gira como un helicóptero a través del aire hacia el suelo. Los microfliers también pueden empaquetarse con tecnología ultra-miniaturizada incluyendo sensores, fuentes de energía, antenas para comunicación inalámbrica y memoria integrada para almacenar datos.

Estudiando arces y otros tipos de semillas dispersadas por viento, los ingenieros optimizaron la aerodinámica del microflier para asegurar que cuando se suelta a gran altura, cae a una velocidad lenta de manera controlada. Este comportamiento estabiliza su vuelo, asegura dispersión en un área amplia y aumenta el tiempo que interactúa con el aire, lo que lo hace ideal para monitorear contaminación del aire y enfermedades aerotransportadas.

Para diseñar los microfliers, el equipo estudió la aerodinámica de semillas de varias plantas, obteniendo su inspiración más directa de la planta tristellateia, una enredadera con flores y semillas en forma de estrella. Las semillas de tristellateia tienen alas acanaladas que atrapan el viento para caer con una rotación lenta y controlada.

El equipo diseñó y construyó muchos tipos diferentes de microfliers, incluyendo uno con tres alas, optimizado a formas y ángulos similares a las alas en una semilla de tristellateia. Para identificar la estructura más ideal, se hizo modelado computacional a escala completa de cómo fluye el aire alrededor del dispositivo para imitar la rotación lenta y controlada de la semilla de tristellateia.

Basado en este modelado, el equipo luego construyó y probó estructuras en el laboratorio, usando métodos avanzados para imaginar y cuantificar patrones de flujo. Las estructuras resultantes pueden formarse en una amplia variedad de tamaños y formas.

Para fabricar los dispositivos, el equipo se inspiró en otra novedad familiar: un libro pop-up infantil. El equipo primero fabricó precursores de estructuras voladoras en geometrías planas y planares. Luego, unieron estos precursores a un sustrato de goma ligeramente estirado. Cuando el sustrato estirado se relaja, ocurre un proceso de pandeo controlado que hace que las alas "salten" hacia formas tridimensionales precisamente definidas.

Los microfliers comprenden dos partes: componentes electrónicos funcionales de tamaño milimétrico y sus alas. A medida que el microflier cae a través del aire, sus alas interactúan con el aire para crear un movimiento rotacional lento y estable. El peso de la electrónica se distribuye bajo en el centro del microflier para evitar que pierda control y caiga caóticamente al suelo.

En ejemplos demostrados, el equipo incluyó sensores, una fuente de energía que puede cosechar energía ambiental, almacenamiento de memoria y una antena que puede transferir datos inalámbricamente a un smartphone, tablet o computadora. El equipo equipó un dispositivo con todos estos elementos para detectar particulados en el aire. En otro ejemplo, incorporaron sensores de pH que podrían usarse para monitorear calidad de agua y fotodetectores para medir exposición solar a diferentes longitudes de onda.

Grandes cantidades de dispositivos podrían soltarse desde un avión o edificio y dispersarse ampliamente para monitorear esfuerzos de remediación ambiental después de un derrame químico o rastrear niveles de contaminación del aire a varias altitudes.

Los sistemas electrónicos transitorios físicamente usan polímeros degradables, conductores compostables y chips de circuitos integrados disolubles que naturalmente desaparecen en productos finales ambientalmente benignos cuando se exponen al agua.