研究人员正在进行一项为期三年的项目的下一阶段，以创建一种微型设备，NFC 功能的飞行器。该设备可以飞行、收集环境空气中的传感器读数并通过近场通信 (NFC) 传输结果。该设备带有专门的机翼，旨在从飞机上掉落并起飞。

该小组于 2021 年 9 月在《自然》杂志上发表了他们关于该主题的第一篇同行评审论文，更多工作正在进行中，将在今年夏天的后续论文中进行描述。整个传感器设备带有翼片、NFC 片上软件 (SoC) 和传感器技术，尺寸只有几毫米，可以选择使用其他无线技术缩小到沙粒大小。当标签被释放到气流中时，它的 3D 翼允许它以旋转和滑翔运动的组合随气流漂移。

NFC 微型飞行器

该团队的目标是设计一种无电池技术，该技术可以分散在环境中，以在滑翔到地球时捕获环境传感器信息，例如污染物和天气模式。NFC 技术可用于在标签落地后捕获累积的传感器数据。西北大学生物电子学教授、白皮书的合著者约翰·罗杰斯 (John Rogers) 说，该设备的一个独特之处在于它使用了一套传感器技术，旨在监测人体的生理参数。

在过去的十年或更长时间里，该大学的研究人员一直在构建和测试这种生物传感器，包括满足患者需求的小型身体适应设备或植入物，或对人类或动物进行基础生物学研究。“我们有一系列 NFC 设备，”Rogers 说，它们可以通过符合 ISO 14443 标准的 13.56 MHz 传输转发传感器数据。标签不仅响应来自读取器的传输，例如大多数智能手机内置的那种，还可以还传输其自己的唯一 ID 号以及已收集的传感器数据。

在跟踪身体状况时，标签和传感器可以直接植入人体内或附着在皮肤上。“在这些情况下，你不必担心分散——你只需将它们放在你需要它们的地方，”罗杰斯说。“我们最近这项工作的目标是提出一个问题，’是否有办法利用技术和身体集成设备的基础来监测健康状况，而不是监测环境过程？’”他回忆说，微型飞行器的发展。

约翰·罗杰斯

根据罗杰斯的说法，用于环境监测的标签需要大规模分发。“所以这就是问题，”他说，“我们试图回答：’扩散的机制是什么？’”这导致了对被动飞行的空气动力学的研究。研究人员向大自然寻求帮助。他们在一定程度上模拟了他们的研究，枫树种子的翅膀从树上掉下来，让风把它们带到远离树枝的地方。除了简单地应用一个机翼外，他们还使用了三个机翼，在具有三维形状的直升机配置中引导被动飞行。

该设备的中心是一个集成电路。当微型飞行器在空中落下时，它的机翼与水流相互作用，产生缓慢、稳定的旋转运动。电子设备的重量分布在微型飞行器的中央，以防止它失去控制并以混乱的方式翻滚。没有电池，但芯片的内置电源可以从阳光中收集环境能量，用于存储收集到的传感器数据。

光电二极管产生大小与曝光强度相关的光电流。该电流以这样一种方式为设备充电，即累积的电荷可以定义芯片上超级电容器上的电压，该电压指示暴露剂量，从而指示空气中颗粒物的大小和浓度信息。罗杰斯说，当标签被询问时，它的响应会产生一组累积电压，每个对应于不同波长的剂量。“所以间接地，”他说，“它通过光谱信息告诉你环境中的颗粒密度和大小。”

一旦传感器落地，它就会等待数据传输。罗杰斯说，收集数据的一种方法是使用配备 NFC 读取器的低空飞行无人机。随着标签掉落，无人机可以扫过一个区域以读取标签数据，然后可以将其上传到服务器。“从概念上讲，”他解释说，“您正在将 3D 数据量（在标签穿过大气层时被捕获）折叠到 2D 表面，然后您可以对其进行扫描。”

迄今为止，NFC 微型飞行器设备已经在实验室环境中进行了测试，在风洞中而不是在现场进行了测试。为了测试该设备捕获颗粒数据的能力，该团队使用了带有香棒、烟蜡烛和玉米淀粉的粉尘生成室。放置在腔室底部的一系列四个风扇产生气流，微型飞行器可以通过这些风扇滑行。

下一阶段的开发可能涉及设备的户外测试，以及进一步的机翼工程。“我们正在研究不同类型的机翼结构，”罗杰斯说，“灵感来自不同类型的种子。” 他指出，在自然界中飞行的方式不止一种。例如，虽然早期的研究主要集中在自由落体期间的直升机式运动，但“你可以想象蒲公英式、降落伞式结构和其他类型的滑翔机”，这些都是将传感器分散到地面的其他潜在方法.

NFC 不是从设备捕获数据的唯一方法。该团队还探索了安装在无人机上的摄像头可以看到的变色化学物质。例如，黄色可能表示在高层大气中检测到污染物。“我们的一些工作也专注于开发这些比色方法，”罗杰斯说。“我们正在寻求多种方法，每种方法都适用于不同的应用，并有更多组合使用的可能性。” 他补充说：“我认为，最终，数字无线将成为必经之路，”通过 NFC 技术可以收集特定数据，包括传感器的唯一 ID 和传输的准确传感器结果。

该技术可能会出现可生物降解的版本，这是该团队在基于生物可吸收电子设备的临时植入物中所做的工作的基础上。“我们有一整套材料可以支持复杂形式的电子产品，”罗杰斯说，“但作为一个独特的定义特征，它具有溶于水的能力。” 在这项工作中，研究人员与一家商业硅铸造厂合作构建可生物降解的硅集成电路，该集成电路原则上可以支持 NFC 功能。

从长远来看，Rogers 推测这些设备可以监测各种条件，包括天气模式、化学品泄漏以及病原体或传染病的传播。与此同时，该团队正在继续研究空气流动，当标签穿过高层大气时，空气的流动模式可能会发生感应。展望未来，研究人员希望与科技公司建立联系，以完成下一步的发展。