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Estos microchips son los más pequeños construidos para volar

Estos microchips son los más pequeños construidos para volar


Un microflier equipado con una antena en espiral y sensores UV

Un microflier equipado con una antena en espiral y sensores UV
Imagen: Northwestern University

Como helicópteros de semillas que caen lentamente hacia el suelo, estos “microfliers” recién creados atrapan el viento para lograr un vuelo controlado sin motor.

Una nueva investigación en Nature afirma el viejo adagio de no perder el tiempo tratando de reinventar la rueda. Los ingenieros de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois, tomaron prestado mucho de la naturaleza para desarrollar microchips capaces de vuelo pasivo. Llamados “microfliers”, los diminutos dispositivos se mueven con la brisa mientras caen y aprovechan los poderes de giro para caer de manera lenta y controlada.

El proceso es similar a los helicópteros de semillas que caen de un arce, y eso no es una coincidencia. El equipo, dirigido por el ingeniero John Rogers, estudió varias plantas y árboles para comprender cómo la naturaleza, después de millones de años de evolución, tropezó con algunas soluciones bastante excelentes para distribuir semillas. Las semillas arrastradas por el viento tienden a usar una de cuatro estrategias diferentes: helicópteros, revoloteadores (o hilanderos), planeadores y paracaidistas.

Un microflier en caída libre (derecha) en comparación con una semilla de tristellateia en caída libre (izquierda)
Gif: Northwestern University/Gizmodo

“La evolución fue probablemente la fuerza impulsora de las sofisticadas propiedades aerodinámicas que exhiben muchas clases de semillas”, explicó Rogers en un comunicado de prensa. “Estas estructuras biológicas están diseñadas para caer de forma lenta y controlada, de modo que puedan interactuar con los patrones de viento durante el período de tiempo más largo posible. Esta característica maximiza la distribución lateral a través de mecanismos aerotransportados puramente pasivos”.

El propósito del proyecto era encontrar formas efectivas de distribuir dispositivos electrónicos miniaturizados funcionales y hacerlo en masa. Dejar caer miles de microfliers desde aviones o edificios altos podría permitir formas únicas de monitorear el medio ambiente, como la contaminación, los derrames tóxicos y la propagación de enfermedades. Los microfiltros modificados podrían formar poderosas redes interconectadas compuestas por cientos o miles de nodos, o comunicarse de forma inalámbrica con dispositivos externos, actuando como sensores en el Internet de las cosas. Las aplicaciones potenciales son prácticamente ilimitadas.

Después de realizar pruebas, los investigadores encontraron que las semillas helicópteros y giratorias funcionaban mejor, especialmente las semillas de la planta de tristellateia. Las semillas de hojas aladas de esta enredadera en flor montan el viento, descendiendo lentamente a medida que giran. El equipo construyó un montón de microfliers diferentes, incluido uno con tres alas en lugar de las cinco habituales. Los microfliers también variaban en tamaño, incluidas versiones tan pequeñas como guijarros e incluso granos individuales de arena (las versiones más pequeñas medían 500 micrómetros de ancho).

Un microflier junto a una hormiga para demostrar la escala

Un microflier junto a una hormiga para demostrar la escala
Imagen: Northwestern University

Las simulaciones por computadora mostraron cómo el aire podría fluir alrededor de los diversos dispositivos, y los túneles de viento demostraron la forma en que la aerodinámica se vio influenciada por los ajustes de diseño, como los cambios en el diámetro, la estructura y el tipo de ala. Las pruebas mostraron que el movimiento giratorio es clave, ya que sirve para estabilizar y ralentizar el descenso del objeto, lo que le permite extenderse más lejos de su ubicación de caída. Un descenso lento también es beneficioso porque permite que el dispositivo prolongue sus funciones de monitoreo mientras está en el aire. Impresionantemente, el equipo dice que se le ocurrieron diseños que rivalizan y posiblemente mejoran lo mejor que la naturaleza tiene para ofrecer.

“Creemos que ganamos a la naturaleza”, dijo Rogers. “Al menos en el sentido estricto de que hemos podido construir estructuras que caen con trayectorias más estables y a velocidades terminales más lentas que las semillas equivalentes que se verían en plantas o árboles”.

Tres tamaños diferentes de microfliers montados sobre vidrio
Gif: Northwestern University

Además, algunas de sus microfiltros eran considerablemente más pequeños que los que se encuentran en la naturaleza.

“Eso es importante porque la miniaturización de dispositivos representa la trayectoria de desarrollo dominante en la industria electrónica, donde los sensores, radios, baterías y otros componentes se pueden construir en dimensiones cada vez más pequeñas”, agregó Rogers.

Otro componente clave de un descenso controlado exitoso es un poco de peso. Sin algo de volumen, el volador se saldría de control y, sin un centro de gravedad bajo, no podría girar. La buena noticia es que estos dispositivos tienen peso en forma de componentes integrados, como microchips, células solares (o baterías) y antenas. En conjunto, esos complementos proporcionarían al microflier cerebro, energía y comunicaciones inalámbricas.

“Esta investigación proporciona una comprensión fundamental de estos sistemas de ingeniería y plantea algunas preguntas que se abordarán en estudios futuros”, escribió E. Farrell Helbling, ingeniero eléctrico e informático de la Universidad de Ithaca que no participó en el estudio, en un artículo adjunto de News & Views. Específicamente, dijo, el trabajo futuro debería considerar “cómo el viento afecta la aerodinámica de los volantes”, ya que los investigadores, al considerar varios factores ambientales, aún necesitan investigar el viento con más detalle. Además, “los resultados de los autores se centran en métodos de dispersión tipo helicóptero y spinner, lo que deja el diseño de paracaidistas y parapentes para futuros estudios y plantea interrogantes sobre posibles compensaciones entre el alcance espacial, la carga útil, etc.”, escribió Helbling.

En las pruebas, el equipo demostró un microflier de 5 cm capaz de monitorear las partículas en el aire mientras realizaba un descenso lento. El equipo prevé versiones futuras capaces de monitorear la calidad del agua con sensores de pH y la exposición al sol con fotodetectores. Las aplicaciones prácticas incluyen el seguimiento de derrames de productos químicos o de petróleo, la contaminación del aire a distintas altitudes y, quizás de manera más inquietante, los movimientos humanos.

De hecho, las ramificaciones éticas y legales de esta tecnología deberán resolverse para evitar posibles abusos, como el seguimiento subrepticio de personas. El equipo también es consciente del hecho de que los microfiltros podrían en algún momento convertirse en una forma de basura o contaminante ellos mismos. Con ese fin, están trabajando en versiones que se disuelven en agua o se degradan naturalmente con el tiempo. También buscan fabricar microfiltros capaces de realizar un vuelo activo, lo que supondrá un desafío considerablemente mayor.



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