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 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

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