Research press release



Engineering: Seed-inspired microdevices that ride the wind

風によって散布される植物の種子から着想した設計に基づいて作製され、環境モニタリングや通信に応用できる可能性がある飛行装置について記述された論文が、Nature に掲載される。この飛行装置は、能動的電子ペイロードを搭載でき、バッテリー不要のワイヤレスデバイスの新たな可能性を樹立した。

植物の種子は、さまざまな形状やサイズのものがあり、一部の植物種子は、風による散布を促進して、遺伝物質を分散させて、種の繁殖を図っている。種子の形状は、大きく4種類に分類され、セイヨウタンポポ(Taraxacum officinale)などのパラシュート型、ハネフクベ(Alsomitra macrocarpa)などのグライダー型、トネリコバノカエデ(Acer negundo)やヒロハカエデ(Acer macrophyllum)などのヘリコプター型、キリ(Paulownia tomentosa)やニワウルシ(Ailanthus altissima)などのフラッタラー型(またはスピナー型)がある。

今回、John Rogersたちは、風によって散布される植物種子から着想を得て、マイクロスケール(1ミリメートル未満)からマクロスケール(1ミリメートル以上)までのサイズの一連の飛行装置を設計した。Rogersたちは、シミュレーションと風洞実験を行って、飛行装置の設計パラメーター(直径、構造、翼型など)が変わると、空力特性がどのような影響を受けるのかを調べた。ヘリコプター型やスピナー型の植物種子に見られるような回旋挙動は、飛行装置の安定性と飛行挙動を高める。この設計には、簡単な電子回路を組み込むことができ、その一例として空中を浮遊する微粒子を検出する回路がある。

同時掲載のNews & Viewsでは、E. Farrell Helblingが「これらのデバイスは、インターネットに接続されたデバイスのネットワーク(『モノのインターネット』)に基づいた環境モニタリング、無線通信ノード、またはその他のさまざまな技術のための動的センサーネットワークを形成できる可能性がある」と述べている。さらに、Helblingは、この飛行装置が風の中でどのように振る舞うかや、他の設計(パラシュート型やグライダー型)による飛行装置がどのような性能を発揮するかを明らかにするには、さらなる研究が必要だと付言し、その一方で、今回の研究が飛行装置の能力を高める道を開くと示唆している。

Flying devices with designs inspired by wind-dispersed plant seeds, which may have applications in environmental monitoring or communications, are described in Nature. The fliers can carry active electronic payloads, establishing a new potential range of battery-free wireless devices.

Plant seeds come in a range of shapes and sizes, some of which facilitate wind dispersal to distribute genetic material and to propagate the species. The shapes fall into four broad categories: parachuters, such as those of the dandelion (Taraxacum officinale); gliders, such as those of the Javan cucumber (Alsomitra macrocarpa); helicopters, such as those of the box elder (Acer negundo) and the big-leaf maple (Acer macrophyllum); and flutterers or spinners, such as those of the empress tree (Paulownia tomentosa) and the tree of heaven (Ailanthus altissima).

Taking inspiration from wind-dispersed seeds, John Rogers and colleagues design a series of fliers ranging in size from the microscale (below 1 mm) to the macroscale (above 1 mm). They use simulations and wind tunnel experiments to examine how aerodynamics are affected by changing design parameters such as the diameter, structure and wing type of the fliers. Rotational behaviours, as seen in helicopter and spinner seeds, enhance the stability and flying behaviour of these devices. Simple electronics can be integrated into the designs, with one example containing a circuit to detect airborne particles.

“These devices could form dynamic sensor networks for environmental monitoring, wireless communication nodes or various other technologies based on the network of Internet-connected devices called the Internet of Things”, writes E. Farrell Helbling in an accompanying News & Views. Helbling adds that further work is needed to understand how the fliers would behave in the wind and how other designs (parachuter- and glider-type fliers) might perform, but she suggests the current work paves the way for increased flier capabilities.

doi: 10.1038/s41586-021-03847-y

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