ヘリコプターの種子がゆっくりと地面に向かって落下するように、新しく作られたこれらの「マイクロフライヤー」は風を捉えて無動力の制御された飛行を実現します。
Nature誌に掲載された新たな研究は、「車輪の再発明に時間を費やすな」という古い格言を裏付けています。イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学のエンジニアたちは、自然界から多くのものを借用し、受動飛行が可能なマイクロチップを開発しました。「マイクロフライヤー」と呼ばれるこの小型デバイスは、落下中に風に乗り、回転力を利用してゆっくりと制御された落下を実現します。
このプロセスは、カエデの木からヘリコプターのように種子が落ちる様子に似ていますが、これは偶然ではありません。エンジニアのジョン・ロジャース率いるチームは、様々な植物や樹木を研究し、自然が何百万年もの進化の末に、どのようにして種子を散布するための優れた方法を編み出したのかを理解しようとしました。風に運ばれる種子は、ヘリコプター、フラッター（またはスピナー）、グライダー、パラシュートという4つの異なる戦略のいずれかを使用する傾向があります。
「多くの種類の種子が示す洗練された空気力学的特性の原動力は、進化である可能性が高い」とロジャーズ氏はプレスリリースで説明した。「これらの生物学的構造は、ゆっくりと制御された状態で落下するように設計されており、可能な限り長い時間、風のパターンと相互作用することができます。この特徴により、純粋に受動的な空中メカニズムを介して、横方向の拡散が最大化されます。」
このプロジェクトの目的は、機能的な小型電子機器を効果的に、そして大量に配布する方法を見つけることでした。飛行機や高層ビルから数千機のマイクロフライヤーを投下することで、汚染、有毒物質の流出、病気の蔓延といった環境を独自の方法で監視することが可能になります。改造されたマイクロフライヤーは、数百、数千のノードで構成される強力な相互接続ネットワークを形成したり、外部デバイスと無線通信してIoT（モノのインターネット）のセンサーとして機能したりすることも可能です。その潜在的な用途は事実上無限です。
実験を重ねた結果、研究者たちはヘリコプターシードとスピナーシードが最も効果的であることを発見しました。特にトリステラティアの種子は、つる植物で羽根が風に乗って回転しながらゆっくりと落下します。研究チームは、トリステラティアに似た様々なマイクロフライヤーを開発しました。中には、通常の5枚の羽根ではなく3枚の羽根を持つものも含まれていました。マイクロフライヤーのサイズも様々で、小石ほどの大きさのものや砂粒ほどのものまでありました（最小のものは幅500マイクロメートル）。
コンピューターシミュレーションでは、様々な装置周辺の空気の流れが示され、風洞実験では、直径、構造、翼の種類といった設計上の微調整が空気力学にどのような影響を与えるかが実証されました。試験では、回転運動が鍵となることが示されました。回転運動は物体の降下を安定させ、速度を遅くすることで、落下地点からより遠くまで拡散させるのに役立ちます。また、ゆっくりとした降下は、装置が空中にいる間の監視任務を長く続けることができるという利点もあります。驚くべきことに、研究チームは、自然界が生み出す最高のものに匹敵し、場合によってはそれを上回る設計を考案したと述べています。
「私たちは自然に勝ったと思っています」とロジャーズ氏は言った。「少なくとも、植物や木から得られる同等の種子よりも、より安定した軌道で、より遅い終端速度で落下する構造物を構築できたという狭義の意味においてはそうです。」
さらに、彼らのマイクロフライヤーの中には、自然界で見つかるものよりもかなり小さいものもあった。
「デバイスの小型化はエレクトロニクス業界における主要な開発方向であり、センサー、無線、バッテリー、その他の部品をこれまで以上に小さな寸法で製造できるため、これは重要です」とロジャーズ氏は付け加えた。
制御された降下を成功させるもう一つの重要な要素は、ある程度の重量です。ある程度の重量がなければ、飛行機は制御不能に陥り、低重心でなければ回転できません。幸いなことに、これらのデバイスには、マイクロチップ、太陽電池（またはバッテリー）、アンテナなどの内蔵部品の形で重量があります。これらの追加機能が一体となって、マイクロフライヤーに頭脳、電力、そして無線通信機能を提供します。
「この研究は、これらの工学システムの基礎的な理解を提供するものであり、今後の研究で取り組むべきいくつかの疑問を提起している」と、イサカ大学の電気・コンピューター工学者で、この研究には関与していないE・ファレル・ヘルブリング氏は、付随するNews & Views記事で述べている。具体的には、研究者たちは様々な環境要因を考慮しつつも、風についてより詳細な調査を行う必要があるため、今後の研究では「風が飛行体の空力特性にどのように影響するか」に着目する必要があるとヘルブリング氏は述べている。さらに、「著者らの研究結果は、ヘリコプターやスピナー式の散布方法に焦点を当てており、パラシュートやグライダー式の飛行体の設計は今後の研究に委ねられることになり、空間的範囲や積載量などの間で起こり得るトレードオフについて疑問が生じる」とヘルブリング氏は述べている。
チームは試験において、直径5cmのマイクロフライヤーがゆっくりと降下しながら大気中の粒子状物質を監視できることを実証しました。将来的には、pHセンサーによる水質監視や光検出器による太陽光照射量監視などにも対応できるバージョンを構想しています。実用的な用途としては、化学物質や石油の流出、様々な高度における大気汚染、そしておそらくより深刻な問題として、人間の動きの追跡などが挙げられます。
実際、この技術の倫理的および法的影響については、人々の秘密裏な追跡といった潜在的な悪用を回避するために、整理する必要がある。研究チームはまた、マイクロフライヤー自体が最終的にはゴミや汚染物質となる可能性も認識している。そのため、彼らは水に溶けたり、時間の経過とともに自然に分解したりするマイクロフライヤーの開発に取り組んでいる。また、マイクロフライヤーを能動的に飛行させることも目指しているが、これはかなり困難な課題となるだろう。
