ریزتراشه بال‌دار کوچک‌ترین سازه پرنده ساخت بشر
 

کوچک‌ترین شیئ که تا کنون به دست بشر ساخته شده یک ریزتراشه پرنده به اندازه یک دانه شن است که بدون موتور در هوا پرواز می‌کند. در عوض بسیار شبیه به دانه درخت افرا، نیروی محرکه خود برای پرواز کردن را از باد می‌گیرد و مانند هلی‌کوپتر در هوا می‌چرخد و به سوی زمین فرود می‌آید.
مهندسین سازنده این ریزتراشه که از «دانشگاه نورت وسترن» در ایالات متحده هستند برای خلق آن، دانه‌های درختان مختلف از جمله افرا را که با وزش باد پراکنده می‌شوند مورد مطالعه قرار دادند تا کارکرد ایرودینامیکی ریزتراشه پرنده را طوری ارتقاء دهند که اگر از ارتفاع بالا سقوط کرد با سرعت کم و در حالت کنترل شده به زمین بیافتد. این رفتار موجب تثبیت پرواز آن می‌شود، آن را در منطقه وسیعی از هوا شناور می‌سازد و مدت زمانی که با هوا در تعامل است را افزایش می‌دهد. بدین ترتیب می‌توان این ریزتراشه را وسیله‌ای ایده‌آل برای پایش آلودگی هوا و بیماری‌های هوابرد به شمار آورد.
این ریزتراشه به عنوان کوچک‌ترین سازه پرنده‌ای که تا کنون ساخته شده، قابلیت حمل فناوری‌های فوق‌العاده مینیاتوری را دارد؛ حسگر، منبع تغذیه انرژی، آنتن برای ارتباطات بی‌سیم و حافظه داخلی برای ذخیره داده‌ها از جمله این فناوری‌ها هستند.
هدف سازندگان ریزتراشه بسیار ریز افزودن قابلیت پرواز به وسایل الکترونیکی کوچک بود. آنها به این می‌اندیشیدند که قابلیت‌هایی این چنینی کمک می‌کنند تا این وسیله الکترونیکی مینیاتوری، با کارایی فوق‌العاده زیاد و عملکرد بسیار خوب محیط خود را بشناسد و در مواردی مثل پایش میزان آلودگی، نظارت بر جمعیت افراد یا موقعیت‌یابی بیماری‌ها به یاری انسان‌ها بیاید. رمز موفقیت آنها الهام گرفتن از طبیعت و الگوبرداری از دنیای بیولوژیکی بوده است. طبیعت در طول میلیاردها سال دانه‌هایی را طراحی کرده که خاصیت ایرو دینامیک بسیار پیچیده‌ای دارند. کاری که پژوهشگران انجام دادند این بود که مفاهیم و اصول طبیعت را الگوبرداری کرده و سپس روی سکوهای مداری الکترونیکی پیاده کردند.
پیروزی بر طبیعت
بسیاری از ما تا کنون دانه‌های برگ درخت افرا را که در هوا رقصان است و به آهستگی روی پیاده رو به زمین می نشیند دیده‌ایم. این تنها مثالی است از این‌که طبیعت چگونه شیوه‌هایی پیچیده و هوشمندانه را به تکامل رسانده تا شانس بقای گونه‌های گیاهی مختلف را بالا ببرد. با این تضمین که دانه‌های گیاهی در پهنه‌ای وسیع انتشار می‌یابند، به گیاهان و درختان ساکن این فرصت داده می‌شود تا نسل گونه‌های خود را تا مسافت‌ها دورتر پراکنده کرده و منطقه وسیع‌تری از زمین را به اشغال جمعیت‌های خود در آورند.
احتمالاً تکامل عامل اصلی پیدایش ویژگی ایرودینامیکی پیچیده‌ای بوده است که گروه‌های بسیاری از دانه‌های گیاهی اکنون از آنها بهره‌مند هستند. این ساختارهای بیولوژیکی در آفرینش طوری طراحی شده‌اند که خیلی آرام و به طرزی کنترل شده به سوی زمین حرکت کنند تا بیشترین زمان را برای تعامل با الگوهای باد داشته باشند. این توانایی توزیع دانه‌ها را طی مکانیسمی کاملاً منفعل و هوابرد به حداکثر میزان ممکن می‌رساند.
گروه پژوهشی به منظور طراحی ریزتراشه پرنده، ایرودینامیک تعدادی از دانه‌های گیاهی را به دقت مشاهده و بررسی کردند. بیشترین الگوبرداری آنها از دانه گیاهی متعلق به جنس Tristellateiaبود، گیاه گل‌داری از راسته مالپیگی سانان با دانه‌هایی به شکل ستاره و بال‌هایی با لبه‌های تیغه مانند که کمک می‌کنند در جریان باد، حرکتی آهسته و چرخان داشته باشند.
پژوهشگران انواع گوناگونی از ریزتراشه‌های پرنده را طراحی کرده و ساختند، از جمله طرحی که دارای سه بال بود و تا حد امکان مشابه شکل هندسی و زوایای بال‌های دانه آن گیاه ساخته شده بود. آنها برای این که بهترین ساختار را انتخاب کنند یک مدل رایانه‌ای کامل از نحوه جریان یافتن هوا در اطراف ریزتراشه پرنده ساختند تا بتوانند حرکت آهسته و چرخش‌های تنظیم شده دانه گیاه را تقلید کنند.
سپس بر اساس این مدل‌سازی، ساختارهایی را در آزمایشگاه ساخته و آزمایش کردند. برای این کار از روش‌های پیشرفته تصویرسازی استفاده کردند. ساختارهای حاصل این قابلیت را داشتند که در اندازه‌ها و شکل‌های مختلف ساخته شوند. به عقیده خود سازندگان ریزتراشه، این ابداع غلبه بر طبیعت بوده است، چون دست‌کم توانسته‌اند سازه‌هایی را بسازند که با تعادل بیشتری فرود می‌آیند و سرعت حد آنها آهسته‌تر از سرعت حد دانه‌های طبیعی است که از گیاهان جدا شده و در هوا روانه می‌شوند. سرعت حد بالاترین سرعتی است که یک جسم در حال سقوط می‌تواند به آن برسد. به‌علاوه، آنها توانستند این ساختارهای پرنده هلی‌کوپتری را در ابعادی بسیار کوچک‌تر از همتایان طبیعی‌شان بسازند. توانایی در ساخت وسایل بسیار کوچک از جمله حسگر، باتری، و غیره در صنعت الکترونیک یک مزیت محسوب می‌شود.
تقلید از کتاب‌های سه بعدی کودکان
پژوهشگران سازنده ریزتراشه پرنده علاوه‌بر الهام گرفتن از طبیعت، از یک منبع آشنای دیگر نیز الگوبرداری کردند: کتاب‌های سه بعدی کودکان. آنها در ابتدا شکل اولیه سازه های پرنده خود را به صورت مسطح و دو بعدی ساختند. سپس، آنها را به بستری لاستیکی و کشسان چسباندند. زمانی که بستر کشیده شده رها می‌شود، حرکتی خم شونده اتفاق می افتد که موجب می شود بال‌ها بیرون بزنند و خیلی دقیق به شکل سه بعدی در آیند. راهبرد ساخت سازه‌های سه بعدی از شکل اولیه دو بعدی آنها بسیار سودمند بود، چون همه وسایل نیمه رسانای کنونی به شکل مسطح و دو بعدی طراحی شده‌اند.
ریزتراشه پرنده از دو بخش اصلی تشکیل شده است: اجزای الکترونیکی در ابعاد میلی‌متری و بال‌ها. با توجه به این‌که این تراشه مینیاتوری پرنده در هوا حرکت می‌کند و فرود می‌آید، بال‌هایش به گونه‌ای با هوا در تعامل قرار می‌گیرند که حرکتی آهسته با چرخش‌های پایدار و منظم از خود نمایش می‌دهند. وزن بخش الکترونیکی نیز در بخش زیرین مرکز آن تعبیه شده تا تعادلش حین پرواز بر هم نخورد و پس از فرود با بی‌نظمی روی زمین غلت نزد.
بیشتر فناوری‌های پایشگر متشکل از تجهیزات بزرگ و جاگیر هستند و طوری طراحی شده‌اند که فقط از یک منطقه کوچک داده جمع‌آوری می‌کنند. سازندگان این ریزتراشه به ساخت تعداد زیادی از حسگرهای کوچک فکر می‌کنند که برای توزیع در فضاهای بزرگ طراحی خواهند شد و به صورت شبکه‌ای و وایرلس با یکدیگر ارتباط برقرار خواهند کرد.

code

نسخه مناسب چاپ