风传种子通常有四种形状：降落伞形 ， 如蒲公英；滑翔机形 ， 如翅葫芦；直升机形 ， 如梣叶槭和大叶枫；扑翼或飞旋形 ， 如毛泡桐或臭椿 。
这些结构为被动飞行器的结构设计提供灵感 。 研究人员注意到 ， 被动扩散具有高空间范围和低能耗特征 ， 通过类似方式来分布微型电子传感器、无线通信节点、能量收集组件和各种物联网可能带来有趣的机会 。 “一种典型的风传种子——星果藤种子为我们提供了实现稳定滞空下落的启发 。 这种植物种子 ， 在空中旋转飘落 ， 利用其自身三维结构 ， 保持结构下落姿态的稳定性 ， 实现结构的长时间滞空 。 ”张一慧介绍道 。
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风传种子启发的三维微飞行器
他表示 ， 将一个材料像纸张一样展开 ， 使其纸面方向保持水平 ， 可以降低其达到匀速下落状态下的最终速度 。 然而 ， 实际下落过程中 ， 这种二维结构难以保持水平 ， 极易发生翻转、颤动等 。
“风传种子的三维结构为这一难题提供了解决方案 ， 通过利用三维结构保持结构的下落稳定性 ， 可以实现结构的长时间滞空 。 三维结构的手性可使其在下落过程中绕自身中心轴旋转 ， 这种旋转可进一步加强结构的稳定性 。 ”
受风传种子的启发 ， 研究团队设计了一系列飞行器 ， 大小从微型（小于1毫米）到大型（大于1毫米） 。 研究人员使用模拟和风洞实验 ， 研究了改变设计参数如飞行器直径、结构和翼型的空气动力学影响 。 他们采用2015年合作提出的屈曲力学引导的三维组装方法 ， 将二维前驱体结构选择地粘接在预拉伸基底 ， 并通过释放预应变实现结构的压缩屈曲 ， 进而完成二维到三维构型的转变 。
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三维微飞行器结构的引导屈曲组装过程 图片来源：清华大学官网
微型飞行器由两部分组成：电子功能部件、机翼 。 当微型飞行器在空中落下时 ， 它的机翼与空气相互作用以产生缓慢、稳定的旋转运动 。 电子设备的重量分布在飞行器中心的较低位置 ， 以防止飞行过程失控、翻滚到地面 。
张一慧介绍称 ， 以风传种子为灵感设计的这类具有良好滞空性、以风为动力的被动式微飞行器 ， 可以在上面集成无线传输天线、微控制芯片以及多个紫外传感器 。 将其在高空释放后 ， 能够在广阔空间内对空气污染物进行长时间实时监测等 。
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三维微飞行器结构及空气污染物检测演示 图片来源：清华大学官网
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