Ze zijn zo groot als een rijstkorrel en dwarrelen door de lucht als een esdoornzaadje. Voor ’s werelds kleinste vliegende microchip hebben onderzoekers zich laten inspireren door de natuur. Deze microvliegertjes kunnen verspreid worden door de wind om zo bijvoorbeeld luchtvervuiling te meten.
Esdoornzaadjes en andere zaden die door de lucht verspreid worden, dwarrelen traag naar beneden dankzij een tollende, helikopterachtige vlucht. Zonder eigen voortstuwing leggen deze zaadjes grote afstanden af door zich zo lang mogelijk te laten meevoeren door de wind. Bovendien garandeert hun gedwarrel een zachte landing.
Precies die verspreiding over een groot gebied wilden de onderzoekers bereiken met hun draadloze microchips met geïntegreerde sensoren. ‘Onze eerste gedachte was een gemotoriseerde vliegmodus’, mailt John Rogers van de Northwestern Universiteit in de VS. ‘Maar daarbij is het lastig om vermogen, bediening, navigatie en dergelijke goed te regelen. Zo kwamen we uit bij passieve manieren van vliegen, zoals de door de wind verspreide zaden.’
Helikoptertjes
Er zijn verschillende soorten zaden die zich door de wind laten meevoeren. Voor dit onderzoek keken de wetenschappers naar zaden van planten die behoren tot het Tristellateia-geslacht. Dit zijn stervormige zaden die, net als esdoornzaadjes, met een tollende, helikopterachtige beweging afdalen. De onderzoekers analyseerden hoe de vleugels van de zaadjes reageren op de luchtstromen en hierdoor traag, stabiel en roterend bewegen.
Rogers en zijn collega’s ontwierpen verschillende vormen en groottes voor de microvliegertjes. Met computermodellen en windtunneltests onderzochten ze hoe de lucht om de microchip stroomt. Zo bepaalden ze welke vorm het beste resultaat oplevert. Ze ontdekten dat de vliegbeweging ook erg afhankelijk is van het formaat. Als de microchips extreem klein worden – minder dan een fractie van een millimeter – dan maakt de vorm niet meer uit; de microchips vallen dan als bolletjes naar beneden.
‘We denken dat we de natuur zelfs kunnen verslaan’, zegt Rogers. ‘In ieder geval in de zin dat we structuren kunnen bouwen die stabieler en trager vallen dat vergelijkbare zaden. Bovendien kunnen we helikopterachtige microchips bouwen die veel kleiner zijn dat wat we in de natuur zien.’
Voordat ze toegepast kunnen worden, moeten de onderzoekers nog uitgebreider onderzoeken hoe wind de microvliegertjes beïnvloedt, schrijft de niet-betrokken Elizabeth Farrell Helbling van Cornell University in een begeleidend News & Views-artikel.
Dwarrelende afbreekbare microchip
Tijdens een test monteerden de onderzoekers op de microvliegertjes sensoren, data-opslag, een energiebronnetje en een antenne die draadloos data naar een laptop of telefoon kan verzenden. Afhankelijk van de sensoren kunnen de microvliegertjes bijvoorbeeld de aanwezigheid van zware metalen, fijnstof of zelfs ziekteverwekkers in de lucht detecteren.
Volgens Rogers kan je grote aantallen van deze dwarrelende sensoren uit een vliegtuig gooien om bijvoorbeeld de luchtkwaliteit in kaart te brengen.
Maar is het niet schadelijk als al die piepkleine elektronische apparaatjes in de natuur terecht komen? ‘We werken al langer aan biologisch afbreekbare elektronica, bijvoorbeeld voor tijdelijke implantaten’, vertelt Rogers. ‘Dezelfde materialen en productie kunnen we gebruiken voor microvliegers.’