Многие растения распространяют свои семена с помощью ветра, используя при этом различные приспособления для полёта – всевозможные парашютики, крылышки или лопасти. Аэродинамика растительных семян стала вдохновением для учёных, которые разработали новый тип летающих сенсоров – микрофлаеры, которые могут держаться на воздушных потоках и производить мониторинг атмосферы для различных научных исследований.

Международная команда учёных, во главе которой находились инженеры из Северо-Западного университета, разработали микрофлаеры при помощи щепетильного прототипирования и множественных компьютерных симуляций. В поиске оптимальной формы исследователи изучали строение различных семян. Наиболее подходящими им показались семена вечнозелёного дерева Triplaris cumingiana. Благодаря звёздчатой форме они парят в воздухе со скоростью 75 см/с. Для сравнения, скорость осаждения снежинок составляет 250 см/с. Инженеры разработали несколько вариантов диаметром от 40 мм до 0,4 мм. Биомиметическая аэродинамика позволила учёным добиться показателя скорости осаждения микрофлаеров на уровне 28 см/с – лучше, чем у некоторых семян. По словам Джона Роджерса, профессора материаловедения и инженерии в Северно-Западном университете, успех проекта был обусловлен тем, что природе приходится «оптимизировать» семена с учётом множества факторов и задач, а учёным нужно было фокусироваться только на времени полёта и полезной нагрузке.

 Согласно исследовательской работе, опубликованной в журнале Nature, микрофлаеры отличаются между собой функционалом, который определяет их размеры и внешний вид. К примеру, самые крупные из них оборудованы различными комплектами безбатарейной электроники, в том числе и сенсорами ультрафиолета для оценки интенсивности солнечного света. Тем временем 2-миллиметровые модули состоят из специальных материалов, которые меняют цвет в зависимости от различных экологических факторов, включая повышенную кислотность и содержание в воздухе определённых элементов вроде свинца или ртути.

Микрофлаеры с различной полезной нагрузкой можно использовать в качестве инструментов мониторинга окружающей среды. В представлении Роджерса и его коллег, подобные миниатюрные сенсоры можно будет сбрасывать с борта самолёта или дрона, например, для контроля ситуации при разливах химикатов или для отслеживания общего загрязнения воздуха. При этом сбор и передача данных могут происходить как в полёте, так и после приземления. К примеру, оборудованные электроникой модули смогут транслировать данные на расположенный поблизости беспроводной ресивер. Для наблюдения за цветоизменяющими микрофлаерами учёным подойдёт аэрофотосъёмка.

Несмотря на оптимистичный взгляд Роджерса и его команды на потенциал применения маленьких летающих сенсоров, многие учёные находят их перспективы весьма спорными. Исследование специалистов Северо-Западного университета действительно не полностью раскрывает некоторые важные аспекты, которые касаются финансовой стороны вопроса, практичности дизайна, последствий применения микрофлаеров и т. п. Главный научный сотрудник Норвежского института исследования воздуха Нурия Кастелль считает, что использование летающих сенсоров, например, для оценки уровня загрязнения атмосферы, породит больше проблем, чем решений. Прежде всего, модули слишком малы для большинства существующих датчиков. Кроме того, они не могут предложить возможность мониторинга среды на протяжении продолжительного периода времени, что более актуально для поставленной задачи. К тому же, скорее всего, многократное использование одних и тех же мини-датчиков невозможно. Подумайте только, сколько микрофлаеров необходимо для отслеживания колебаний содержания в воздухе тех или иных веществ в пределах всего одной недели. В связи с этим сторонние наблюдатели опасаются, что их использование спровоцирует новые проблемы, например, образование значительного количества отходов.

В ответ на наиболее распространённые претензии профессор Роджерс поясняет, что микрофлаеры всё ещё находятся на этапе разработки, потому его команде ещё предстоит продумать многие аспекты. Учёный считает дизайн и форм-фактор летающих сенсоров довольно удачным, но не отрицает необходимости их модификации. В частности, во избежание замусоривания окружающей среды инженеры планируют сделать устройства полностью биоразлагаемыми. Исследователи уже ведут работы в этом направлении: опытные варианты с разлагаемыми микросхемами и крыльями, растворяющимися в воде за некоторое время, уже неплохо показали себя в лабораторных испытаниях.