Pillangó- vagy muslicaméretű röppentyűrajok dolgozhatnak a földek felett

Az ember számtalan találmányt és felfedezést köszönhet a természetben végzett megfigyeléseinek, a növényektől és állatoktól ellesett megoldásoknak. Még az is lehet, hogy a legtöbb ötletünk innen ered – honnan is eredhetne máshonnan?

Egy homokszemnél is apróbb, de repül

Ahogy azt minden gyerek tudja, a fák és a növények bizonyos fajtái a szélre bízzák a magvaikat, hogy nagyobb távolságra is eljuthassanak a potenciális utódok. A természetben megfigyelt különböző magvak különböző repülési módszereket alkalmaznak: vannak, amelyek siklanak a légáramlatok hátán, mások ejtőernyővel ereszkednek le a földre, megint mások helikopterként pörögve szállnak a széllel. A megannyi különböző aerodinamikai megoldás a biomimikri végtelen tárházát jelenti a tudósok számára, inspirálva az emberi képzelőerőt is.

Az amerikai Northwestern University kutatóinak új fejlesztése is éppen így született, a közismert lependékmagok megfigyelése alapján.

Az újfajta repülő érzékelők leheletvékony, apró nyomtatott áramköri lapokból állnak, melyek közül néhány egy homokszem méreténél is kisebb. Az érzékelők alkalmasak lehetnek arra, hogy a jövőben tömegesen a légkörbe juttatva őket megfigyeljék a környezetüket, rádiófrekvenciás úton szolgáltatva adatokat az észlelt változásokról.

Az új szenzorgeneráció és a kifejlesztésüket inspiráló természet adta minták: egy lependékmag, melyet például a juhar, platán és kőrisfák hullatnak a szaporodásuk érdekében – fotó: F. Frankel/Northwestern University

Agroszótár: Biomimikri A biomimikri (a szakirodalomban gyakran bionika, biomimetika vagy biomimézis) olyan tudományág, melynek célja az élő természetben megfigyelhető megoldások átültetése a műszaki gyakorlatba, abból kiindulva, hogy a természetben működő természetes kiválasztódás optimális megoldásokat eredményezhet egy-egy problémára. A kifejezést főképp a műszaki tudományokban használják, míg a bionika alak inkább az orvosi szaknyelvben terjedt el. A területen együtt dolgoznak a természettudósok, mérnökök, építészek, formatervezők és még sok egyéb tudományág képviselői.

Az új érzékelők mérete körülbelül 40 mm és 0,2 mm között változik, és – egyelőre – nem képesek a saját erejükből helyet változtatni. Ehelyett úgy tervezték őket, hogy a lehető legtovább maradjanak fent a levegőben, biológiai ihletésű aerodinamikai kialakításuknak köszönhetően.

A kutatók nemes egyszerűséggel csak mikroröppentyűnek hívják a találmányukat, melynek fő célja a légköri adatok gyűjtése lehet.

Felemelő magvetés

Az apró szerkezeteket pontos alakját számítógépes szimulációval és egy sor prototípus elkészítésével fejlesztették ki. A legjobb elért eredmény a 28 cm/mp maximális süllyedési sebesség volt, ami talán nem tűnik kevésnek, de ha összehasonlítjuk a hópelyhekkel, melyek nem kevesebb mint 250 centimétert tesznek meg a föld felé másodpercenként, akkor szinte egy helyben lebegőnek tűnnek. Ráadásul ha egy kis szél is besegít, ez a minimális mértékű ereszkedés könnyedén válhat újból emelkedéssé.

„Meglepetésként ért bennünket, hogy még jobb eredményt is sikerült elérni, mint amit a fák magvai esetében a természet megalkotott, már úgy értem, a repülési dinamika tekintetében" – mondta el John Rogers, a Northwestern anyagtudomány és műszaki professzora, aki a fejlesztéseket vezette.

A kép mindenesetre csalóka, hiszen a természetes kiválasztódás a magok esetében számos egyéb tényező hatása mellett haladt a kiegyensúlyozott állapot felé, és ezek között jóval több minden szerepelt, mint csupán a maximális hasznos teher és a repülési idő – tette hozzá Rogers. A természet az éghajlati viszonyok, a szaporodási képesség és még számtalan egyéb tényező mellett optimalizálhatta a magok tulajdonságait, míg ezekre a tudósoknak nem kellett odafigyelniük.

Néhány prototípus akkumulátormentes elektronikája olyan érzékelőkkel is rendelkezik, mellyel észlelhetik az UV-sugarakat, és továbbíthatják is a rögzített adatokat a rajtuk elhelyezett tekercsantennával. Ez a példány körülbelül 40 mm átmérőjű 2 fotó: Northwestern University

A mikroöppenytyűk leginkább a tristellateia szőlő csillag alakú magjaihoz hasonlítanak, melyek kis levélpengék segítségével forognak, segítve a szétszóródást az anyanövénytől. A röppentyűkön az apró érzékelők mellett napenergiát hasznosító egységek is helyet kaptak. A kutatók szerint a miniatűr eszközök alkalmazása széles körben elképzelhető lehet, és nem is kerülnek sokba.

"Hasonló, létező technológia található az RFID [Radio Frequency Identification] chipekben, és ezek már néhány dollárcentért kaphatók" – vélte Rogers.

Az adatok színe

A kutatók a Nature tudományos folyóiratban tették közzé az eredményeiket. Az új szenzorcsalád legfontosabb tulajdonsága a leírtak szerint a hasznos terhelés nagysága. Rogers és csapata sok különböző prototípust fejlesztett ki, köztük nagy méretű, akár 4 centiméteres egységeket is, akkumulátormentes elektronikával felszerelve a napsugárzás hasznosítására és megfigyelésére, de készültek kisebb, mindössze két milliméter átmérőjű modellek is speciális anyagokból, melyek megváltoztatják színüket a környezeti tényezők, például savasság vagy bizonyos elemek, például ólom vagy higany jelenlétében.

Az adatgyűjtési képesség azt is jelentheti, hogy ezek a röppentyűk a környezeti monitoring új generációjának eszközei lehetnek – mondta Rogers. A szenzorok felhőit repülőgéppel vagy drónokkal is kiszórhatják, például vegyi anyagok kiömlésének ellenőrzésére vagy a légköri szennyezés mértékének és pontos koordinátáinak meghatározásához.

Az egységek földig tartó ereszkedésük során vagy akár földet érésük után is begyűjthetik a kívánt adatokat, a nagyobb méretű röppentyűk apró antennái pedig vezeték nélküli adatkapcsolatot biztosíthatnak a kihelyező szervezet központi vevőkészülékével, vagy az említett színváltó eszközök indikátorként megjelenhetnek az utólag készített légi felvételeken, felülről, vizuálisan, színkóddal ábrázolva a mérni kívánt környezeti változók (szennyezés) értékeit.

A csapat több száz prototípust készített, hogy teszteljék, hogyan mozognak a különböző eszközök a levegőben – fotó: Northwestern University

Kritikus észrevételek

Ahogy az egy hasonló projekt esetében várható volt, nem mindenki osztja Rogers optimizmusát a földekre kijuttatott nagy mennyiségű plasztik és mikroelektronika környezetvédelmi hatásainak szempontjából, és akadnak megválaszolatlan kérdések a tervezés gyakorlati, gazdaságossági vonatkozásaival kapcsolatban is.

Núria Castell, a Norvég Légkörkutató Intézet (NILU) vezető tudósa a környezetszennyezést ellenőrző technológiákat fejleszt. Véleménye szerint Rogers csapatának elképzelése az adatok összegyűjtéséről korlátozza a technológia lehetséges alkalmazási területeit.

Castell, aki saját kutatásai során a városok légszennyezését méri, kifogásolta, hogy a túlságosan apró méret miatt a szenzorok nem képesek az érzékeny berendezések szállítására, túl rövid ideig gyűjthetnek adatokat a megfelelő magasságban föld felé tartó ereszkedésük során, és mindig újra és újra ki kell juttatni őket a terepre, ha hosszabb időn keresztül szeretnénk megfigyelést végezni. Ezekre a problémákra a meglévő technológia segítségével is adhatunk megfelelő válaszokat – mondta Castell. "Hány ilyen röppentyűre van szükség, az adatok megszerzéséhez akár csak egy hétre?"

A röppentyűk ugyanakkor számos környezeti megfigyelési feladatra alkalmatlanok.

Ez vagy valami, vagy jó lesz valamire

Castell úgy vélekedett, hogy bár a megalkotásukhoz szükséges mérnöki és fizikai kutatás dicséretet érdemel, az eredmény nem praktikus a rendszeres adatgyűjtéshez, ám rendkívül hasznos lehet vészhelyzetekben. "Például komoly biológiai veszéllyel járó baleseteknél. Nagyon komoly eseményekről beszélek, melyekre azonnali válaszokat kell adnunk. Ilyen esetben egy drón gyorsan felszállhat, és kiszórhatja a röppentyűket az érintett területen, hogy gyors pillanatfelvételt kaphassunk a baleset okozta károkról" – vázolta Castell.

A röppentyűk különböző méretekben készülhetnek, a képen látható példány mellett például egy közönséges hangya áll, a készülék maga körülbelül két milliméter széles – fotó: Northwestern University

Ahogy már utaltunk rá, a repülő szenzorok egyszer használatos termékekként tetemes mennyiségű hulladékot termelhetnek. Rogers és a kutatótársai ezt úgy igyekeznek kiküszöbölni, hogy a környezetben magától feloldódó anyagokból készülő elektronikát terveztek, ami minimálisra csökkenti a környezeti hatást.

„Elég mélyen megvizsgáltuk ezt a problémát. Van néhány olyan demonstrációs bemutatónk, amit hamarosan közzéteszünk, és bebizonyítjuk, hogy az összes elektronika teljesen eltűnik, egy idő után egyszerűen magától feloldódik az esővízben" – mondta a kutató.

Egy kis amerikai történelem

Nam-Trung Nguyen, a queenslandi Griffith Egyetem Mikro- és Nanotechnológiai Központjának igazgatója szerint a legnagyobb előrelépés a dologban a szétszórás vagy szétszóródás képessége. Nguyen professzor, aki nem vett részt a fejlesztésben, maga is tervezett már hasonló, helyhez kötött eszközöket, amelyeket a bőrre ragasztva vagy a testbe ültetve figyelemmel kísérhették az alanyok egészségi állapotát.

Az ilyesfajta távérzékelést kezdetben az amerikai hadsereg fejlesztette ki a vietnami háború idején való használatra, de a technológia mára persze sokkal kisebb méreteket is lehetővé tesz, mint félszáz évvel ezelőtt.

"Annak idején főleg a hadsereget érdekelte a megfigyelési technológia" – mondta Nguyen, aki szerint a nagyobb repülő eszközök, mint például a drónok előnye ma az, hogy már videókat és képeket is rögzíthetnek.

A professzor úgy vélekedett, hogy a mikroröpentyűket valószínűleg fel lehet szerelni a kép- vagy videófelvételek továbbítására alkalmas technológiával is.

Rogers professzor hozzátette, hogy a kutatás következő lépése az lesz, hogy a szenzorokat ellássák a motoros repüléshez és annak irányításához szükséges képességekkel. "Azon gondolkodunk, hogy miként lehetne hozzáadni az aktív repülési képességeket" – mondta. Ezek az új eszközök már nem csupán lehullanak a földre, mint egy mag, de elrepülhetnek a veszély útjából, mint egy közönséges muslica.

Terepen még nincs tesztelve

Az új szenzorgeneráció jelenleg a tömeggyártást megelőző, tervezői fázisban van, és bár a gyártási technológia már jól kidolgozott, de maguk a röppentyűk csak ellenőrzött környezetben lettek tesztelve, a természetbeni, nagyszabású környezeti kihelyezések még hátravannak.

"Még a korai fázisban járunk, ugyanakkor alaposan elgondolkodtunk azon, hogy melyik megvalósítási útvonalak lesznek továbbfejleszthetők és melyek nem. Az előbbiekre összpontosítottunk, és a gyakorlati, praktikus ötletekre. Partnereket fogunk keresni, hogy kivigyük ezt a technológiát a laboratóriumból" – foglalta össze a jövőbeni terveit Rogers.

Forrás: TheVerge