Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến

Còn hơn cả học tập, các kỹ sư đã đánh bại được Mẹ Tự nhiên.


Nếu bạn hỏi các vi mạch trong thiết bị điện tử của mình có thể làm được những gì? Câu trả lời là một danh sách dài những điều kì diệu, từ các bộ vi xử lý máy tính, bộ nhớ lưu trữ dữ liệu, bộ điều khiển kỹ thuật số hay đơn giản nhất là dẫn truyền dòng điện.


Nhưng các kỹ sư tại Đại học Northwestern đang muốn trang bị cho các vi mạch của mình một tính năng nữa: Họ muốn chúng phải bay được!


Các nhà khoa học chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến


Các vi mạch này không chạy bằng nhiên liệu hay động cơ. Thay vào đó, chúng sử dụng một cấu trúc cánh, giống như hạt của cây phong hay hoa bồ công anh, để bay được trong gió. Với kích thước chỉ bằng một hạt cát, các vi mạch siêu nhỏ này hiện là cấu trúc bay nhỏ nhất mà con người chế tạo được.


Điều đặc biệt là nó vẫn sẽ có đầy đủ cảm biến, nguồn điện, bộ nhớ và ăng ten liên lạc không dây. Các kỹ sư cho biết các vi mạch này có thể được thả ra môi trường để theo dõi tình trạng ô nhiễm không khí, ô nhiễm đại dương hoặc thậm chí kiểm soát dịch bệnh.


Còn hơn cả học tập, các kỹ sư đã đánh bại được tự nhiên


Nếu bạn đã thấy cách mà những hạt của cây phong quay trong không khí, rồi nhẹ nhàng đậu xuống vỉa hè. Hay cách mà những hạt bồ công hay hoa cỏ may lợi dụng gió để bay được đi khắp nơi. Bạn sẽ thấy thiên nhiên đã thiết kế ra những vật thể bay có tính chất khí động học rất tinh vi.


"Tiến hóa có thể là động lực cho các đặc tính khí động học tinh vi được thể hiện bởi nhiều loại hạt. Những cấu trúc sinh học này được thiết kế để rơi chậm và có kiểm soát. Vì vậy, chúng có thể tương tác với các kiểu gió trong khoảng thời gian dài nhất có thể", John A. Rogers, người dẫn đầu dự án tại Đại học Northwestern giải thích.


"Chúng tôi chỉ cần mượn ý tưởng thiết kế đó, điều chỉnh chúng và áp dụng cho các vi mạch điện tử. Mục tiêu của chúng tôi là tích hợp tính năng bay vào các hệ thống điện tử quy mô nhỏ".


Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến - Ảnh 2.Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến - Ảnh 3.

Để có thể tạo ra các vi mạch tối ưu nhất đó, Rogers và nhóm nghiên cứu của mình đã dán các vi mạch và thiết bị điện tử lên một đế cao su phẳng 2D được kéo căng. Sau khi quá trình in mạch hoàn tất, đế cao su được thả ra. Toàn bộ vi mạch sau đó sẽ bật lên thành một hình dạng 3D, với các cánh cong vênh theo đúng tính toán.


Tất nhiên, mô hình cong vênh của các cánh này, ngay cả số lượng cánh, đã được tính toán cẩn thận bằng các thuật toán tối ưu hóa. Mục đích là để giữ cho các vi mạch bay ở trong không khí lâu nhất.


Để đạt được điều đó, nó cần có "vận tốc đầu cuối nhỏ nhất", Yonggan Huang, giáo sư Kỹ thuật Cơ khí tại Đại học Northwestern, người đảm nhiệm mô hình lý thuyết của dự án cho biết. "Điều này là không thể với các thử nghiệm "thử và sai"".


Thay vào đó, Huang đã xây dựng ra các thuật toán lý thuyết mô phỏng lại từng cơn gió và cách chúng tác động đến vi mạch 3 cánh. Công việc đã giúp nhóm của Rogers có được bản thiết kế hoàn chỉnh.


"Chúng tôi nghĩ mình đã đánh bại được thiên nhiên. Ít nhất là theo nghĩa hẹp, chúng tôi đã có thể xây dựng các cấu trúc rơi với quỹ đạo ổn định hơn, ở vận tốc đầu cuối thấp hơn so với các loại hạt có mặt trong thế giới tự nhiên", Rogers nói.


"Chúng tôi cũng có thể tạo ra những cấu trúc bay với kích thước nhỏ hơn nhiều so với bất kỳ cấu trúc nào mà tự nhiên có. Điều đó thực sự quan trọng vì thu nhỏ thiết bị nằm trong xu hướng phát triển của ngành công nghiệp điện tử hiện tại, nơi các cảm biến, radio, pin và mọi thành phần khác đã có thể được chế tạo ở kích thước nhỏ hơn bao giờ hết".


Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến - Ảnh 4.Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến - Ảnh 5.

Ứng dụng của các vi mạch bay


Điều đó tùy thuộc vào việc bạn sẽ gắn các thiết bị điện tử nào lên vi mạch. Trong một thí nghiệm, Rogers và nhóm của mình đã trang bị cảm biến phát hiện bụi trong không khí lên đó. Khi các vi mạch bay trong không trung, chúng có thể truyền các chỉ số ô nhiễm đo được tức thời về điện thoại thông minh hoặc máy tính dựa trên giao tiếp không dây.


Trong một thí nghiệm khác, họ đã gắn lên đó cảm biến đo pH để theo dõi chất lượng nước và bộ tách sóng quang học để đo các bước sóng ánh sáng khác nhau. Điều này có thể cho phép nhóm nghiên cứu quan sát các sự cố tràn dầu từ xa và quản lý hoạt động khắc phục chúng.


Ưu điểm của các vi mạch bay là chúng có thể được phát tán trên một diện tích rộng lớn mà không tốn quá nhiều năng lượng. Hàng chục ngàn, thậm chí hàng triệu vi mạch đó có thể kết nối với nhau thành mạng và chia sẻ dữ liệu với nhau.


Điều trớ trêu là với số lượng đó, bản thân vi mạch bay cũng có thể trở thành một loại rác thải mới nếu không được thu hồi. Bởi vậy, Rogers và các kỹ sư ở Đại học Northwestern đang tìm cách khắc phục điều đó.


Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến - Ảnh 6.Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến - Ảnh 7.

"Các phương pháp hiệu quả để thu hồi và xử lý phải được xem xét cẩn thận", ông nói. "Một giải pháp có thể giúp khắc phục vấn đề là sử dụng những vật liệu có khả năng phân hủy tự nhiên, thông qua phản ứng hóa học hoặc vật lý để tạo ra các sản phẩm cuối cùng lành tính", ông nói.


May mắn thay, phòng thí nghiệm của Rogers phát triển được các thiết bị điện tử dùng một lần có khả năng hòa tan trong nước sau khi chúng không còn hữu dụng. Sử dụng các vật liệu tương tự, ông và nhóm của mình đặt mục tiêu chế tạo các vi mạch bay có thể phân hủy và biến mất trong nước ngầm theo thời gian.


"Chúng tôi chế tạo các hệ thống điện tử tạm thời như vậy bằng cách sử dụng các polyme có thể phân hủy, dây dẫn có thể phân hủy và các chip mạch tích hợp có thể phân hủy tự nhiên. Chúng sẽ tan thành các sản phẩm cuối lành tính với môi trường khi tiếp xúc với nước", Rogers nói.


Rõ ràng, việc thu hồi hàng triệu vi mạch phát tán trong không khí và rơi xuống một diện tích rộng lớn là rất khó khăn. Do đó, việc phát triển ra các vi mạch có khả năng tự phân hủy và hòa tan một cách vô hại vào thiên nhiên sẽ là hướng đi hợp lý hơn cho họ.


Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.


Tham khảo ,


Lấy link







Che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien


Con hon ca hoc tap, cac ky su da danh bai duoc Me Tu nhien.


Neu ban hoi cac vi mach trong thiet bi dien tu cua minh co the lam duoc nhung gi? Cau tra loi la mot danh sach dai nhung dieu ki dieu, tu cac bo vi xu ly may tinh, bo nho luu tru du lieu, bo dieu khien ky thuat so hay don gian nhat la dan truyen dong dien.


Nhung cac ky su tai Dai hoc Northwestern dang muon trang bi cho cac vi mach cua minh mot tinh nang nua: Ho muon chung phai bay duoc!


Cac nha khoa hoc che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien


Cac vi mach nay khong chay bang nhien lieu hay dong co. Thay vao do, chung su dung mot cau truc canh, giong nhu hat cua cay phong hay hoa bo cong anh, de bay duoc trong gio. Voi kich thuoc chi bang mot hat cat, cac vi mach sieu nho nay hien la cau truc bay nho nhat ma con nguoi che tao duoc.


Dieu dac biet la no van se co day du cam bien, nguon dien, bo nho va ang ten lien lac khong day. Cac ky su cho biet cac vi mach nay co the duoc tha ra moi truong de theo doi tinh trang o nhiem khong khi, o nhiem dai duong hoac tham chi kiem soat dich benh.


Con hon ca hoc tap, cac ky su da danh bai duoc tu nhien


Neu ban da thay cach ma nhung hat cua cay phong quay trong khong khi, roi nhe nhang dau xuong via he. Hay cach ma nhung hat bo cong hay hoa co may loi dung gio de bay duoc di khap noi. Ban se thay thien nhien da thiet ke ra nhung vat the bay co tinh chat khi dong hoc rat tinh vi.


"Tien hoa co the la dong luc cho cac dac tinh khi dong hoc tinh vi duoc the hien boi nhieu loai hat. Nhung cau truc sinh hoc nay duoc thiet ke de roi cham va co kiem soat. Vi vay, chung co the tuong tac voi cac kieu gio trong khoang thoi gian dai nhat co the", John A. Rogers, nguoi dan dau du an tai Dai hoc Northwestern giai thich.


"Chung toi chi can muon y tuong thiet ke do, dieu chinh chung va ap dung cho cac vi mach dien tu. Muc tieu cua chung toi la tich hop tinh nang bay vao cac he thong dien tu quy mo nho".


Che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien - Anh 2.Che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien - Anh 3.

De co the tao ra cac vi mach toi uu nhat do, Rogers va nhom nghien cuu cua minh da dan cac vi mach va thiet bi dien tu len mot de cao su phang 2D duoc keo cang. Sau khi qua trinh in mach hoan tat, de cao su duoc tha ra. Toan bo vi mach sau do se bat len thanh mot hinh dang 3D, voi cac canh cong venh theo dung tinh toan.


Tat nhien, mo hinh cong venh cua cac canh nay, ngay ca so luong canh, da duoc tinh toan can than bang cac thuat toan toi uu hoa. Muc dich la de giu cho cac vi mach bay o trong khong khi lau nhat.


De dat duoc dieu do, no can co "van toc dau cuoi nho nhat", Yonggan Huang, giao su Ky thuat Co khi tai Dai hoc Northwestern, nguoi dam nhiem mo hinh ly thuyet cua du an cho biet. "Dieu nay la khong the voi cac thu nghiem "thu va sai"".


Thay vao do, Huang da xay dung ra cac thuat toan ly thuyet mo phong lai tung con gio va cach chung tac dong den vi mach 3 canh. Cong viec da giup nhom cua Rogers co duoc ban thiet ke hoan chinh.


"Chung toi nghi minh da danh bai duoc thien nhien. It nhat la theo nghia hep, chung toi da co the xay dung cac cau truc roi voi quy dao on dinh hon, o van toc dau cuoi thap hon so voi cac loai hat co mat trong the gioi tu nhien", Rogers noi.


"Chung toi cung co the tao ra nhung cau truc bay voi kich thuoc nho hon nhieu so voi bat ky cau truc nao ma tu nhien co. Dieu do thuc su quan trong vi thu nho thiet bi nam trong xu huong phat trien cua nganh cong nghiep dien tu hien tai, noi cac cam bien, radio, pin va moi thanh phan khac da co the duoc che tao o kich thuoc nho hon bao gio het".


Che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien - Anh 4.Che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien - Anh 5.

Ung dung cua cac vi mach bay


Dieu do tuy thuoc vao viec ban se gan cac thiet bi dien tu nao len vi mach. Trong mot thi nghiem, Rogers va nhom cua minh da trang bi cam bien phat hien bui trong khong khi len do. Khi cac vi mach bay trong khong trung, chung co the truyen cac chi so o nhiem do duoc tuc thoi ve dien thoai thong minh hoac may tinh dua tren giao tiep khong day.


Trong mot thi nghiem khac, ho da gan len do cam bien do pH de theo doi chat luong nuoc va bo tach song quang hoc de do cac buoc song anh sang khac nhau. Dieu nay co the cho phep nhom nghien cuu quan sat cac su co tran dau tu xa va quan ly hoat dong khac phuc chung.


Uu diem cua cac vi mach bay la chung co the duoc phat tan tren mot dien tich rong lon ma khong ton qua nhieu nang luong. Hang chuc ngan, tham chi hang trieu vi mach do co the ket noi voi nhau thanh mang va chia se du lieu voi nhau.


Dieu tro treu la voi so luong do, ban than vi mach bay cung co the tro thanh mot loai rac thai moi neu khong duoc thu hoi. Boi vay, Rogers va cac ky su o Dai hoc Northwestern dang tim cach khac phuc dieu do.


Che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien - Anh 6.Che tao thanh cong cau truc bay nho nhat the gioi: Mot vi mach mong chi bang chan kien - Anh 7.

"Cac phuong phap hieu qua de thu hoi va xu ly phai duoc xem xet can than", ong noi. "Mot giai phap co the giup khac phuc van de la su dung nhung vat lieu co kha nang phan huy tu nhien, thong qua phan ung hoa hoc hoac vat ly de tao ra cac san pham cuoi cung lanh tinh", ong noi.


May man thay, phong thi nghiem cua Rogers phat trien duoc cac thiet bi dien tu dung mot lan co kha nang hoa tan trong nuoc sau khi chung khong con huu dung. Su dung cac vat lieu tuong tu, ong va nhom cua minh dat muc tieu che tao cac vi mach bay co the phan huy va bien mat trong nuoc ngam theo thoi gian.


"Chung toi che tao cac he thong dien tu tam thoi nhu vay bang cach su dung cac polyme co the phan huy, day dan co the phan huy va cac chip mach tich hop co the phan huy tu nhien. Chung se tan thanh cac san pham cuoi lanh tinh voi moi truong khi tiep xuc voi nuoc", Rogers noi.


Ro rang, viec thu hoi hang trieu vi mach phat tan trong khong khi va roi xuong mot dien tich rong lon la rat kho khan. Do do, viec phat trien ra cac vi mach co kha nang tu phan huy va hoa tan mot cach vo hai vao thien nhien se la huong di hop ly hon cho ho.


Nghien cuu da duoc cong bo tren tap chi Nature.


Tham khao ,


Lay link

Chế tạo thành công cấu trúc bay nhỏ nhất thế giới: Một vi mạch mỏng chỉ bằng chân kiến

Còn hơn cả học tập, các kỹ sư đã đánh bại được Mẹ Tự nhiên.
Giới thiệu cho bạn bè
  • gplus
  • pinterest

Bình luận

Đăng bình luận

Đánh giá: