传统微型飞行器通常使用扑翼、旋翼或喷气的主动驱动方式作为飞行动力，需要较大的能量供给，主动驱动组件结构复杂，小型化难度大、难以长续航。风传种子历经演化，可在无主动驱动力的情况下，被动地随风飞行几公里甚至更远。

清华大学张一慧课题组与美国西北大学约翰•罗杰斯（John A. Rogers）、黄永刚课题组、伊利诺伊大学香槟分校莱昂纳多·查莫罗（Leonardo P. Chamorro）课题组合作，以风传种子为灵感，设计了一种屈曲力学组装的三维微电子飞行器，实现了微电子器件被动、长时间、远距离飞行。

课题组采用2015年合作提出的屈曲力学引导的三维组装，将二维前驱体结构选择地粘接在预拉伸基底，释放预应变实现结构的压缩屈曲，完成二维到三维构型的转变。通过有限元模拟设计一系列精巧的三维飞行器结构（图1），解决了结构重量问题。通过流体力学模拟了二维结构下落中的翻转、颤动过程以及风传种子三维结构在下落过程中的稳定性，建立了流固耦合理论模型，揭示了旋落过程的运动机理，实现了长时间滞空。

图1.三维飞行器结构的引导屈曲组装过程与大规模多尺度制备

基于理论研究与结构设计，利用有限元模拟电子系统的组装过程。在飞行结构上集成微电子器件，包含天线、微控制芯片和紫外传感器。高空释放后，可对空气污染物长时实时监测。集成不同芯片，有望实现城市传染病病原体分布监测等。其可成为未来飞行器“物联网”节点，助力疫情监测与防控（图2）。

图2.三维微飞行器结构及空气污染物检测演示

研究成果于9月22日在《自然》（Nature）期刊以长文形式发表，题目《受风传种子启发的三维电子微型飞行器》（Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds），为同期的封面文章（图3）。

图3.相关工作被选为《自然》期刊的封面文章

清华大学张一慧教授、美国西北大学约翰•罗杰斯院士、美国伊利诺伊大学香槟分校莱昂纳多·查莫罗副教授和美国西北大学黄永刚院士为该文章的共同通讯作者。韩国崇实大学助理教授金奉勋（Bong Hoon Kim）、剑桥大学博士后厉侃（清华大学钱学森力学班毕业）、美国西北大学博士后金镇泰（Jin-Tae Kim）和朴尹锡（Yoon seok Park）为文章的共同第一作者。清华大学张一慧组博士后宋洪烈参与了此项研究，为本文的共同作者之一。该研究成果得到了国家自然科学基金委原创探索计划项目、国家自然科学基金委创新研究群体等项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03847-y