在這幅藝術構想圖中，地面上的火星車向空中發射了成批的“納米板”飛行器，並用激光操控它們收集樣本。
今年夏天，美國國家航空航天局（NASA）計劃發射下一部火星車“恆心號”，它將攜帶首架在另一個星球上飛行的飛機——火星直升機踏上旅程。作為第一款這種類型的飛行器，火星直升機將不會攜帶任何儀器，也不會收集任何數據。NASA將其飛行任務定義為“高風險、高回報”的研究。
考慮到外太空飛行的巨大風險，美國賓夕法尼亞大學的工程師們提出用微型飛行器探索其他星球的空域。微型飛行器的重量和果蠅差不多，且不包含活動組件。
飛行器是由“納米板”製成的，當它受到強光照射時就會懸浮起來：納米板的一側升溫，溫差使空氣在其中空結構中循環，然後從波紋通道中噴出，將其推離地面。
《先進材料》雜誌報道的最新研究成果表明，納米板飛行器在類火星環境中具有一定的飛行和有效載荷能力。火星稀薄的大氣層會為飛行器提供推力，使它們能夠攜帶十倍自重的有效載荷。此外，微弱的火星引力也有助於增強飛行器的性能。
項目負責人Igor Bargatin說：“火星直升機是一個令人興奮的項目，但它仍然是一個單一的複雜機器。如果中途出現問題，任務就徹底結束了。我們提出的是一種完全不同的方案——‘分籃裝雞蛋’。”
自2017年以來，Bargatin團隊一直在試驗和改進他們設計的納米板。受包裝材料啟發，並與辛格納技術中心合作，Bargatin等實現了創紀錄的重量-剛度比。相關研究成果發表於最近出版的《自然通訊》雜誌中。
與建築和航空領域使用的“三明治結構複合材料”類似，納米板的材料特性與波紋有關。在納米級氧化鋁製成的空心板上，波紋作為跨越板通道的規則模式，增強了材料的彎曲剛度，並能夠抑制裂紋傳播。由於溫差產生的氣流會流過空心結構，波紋通道也能增強納米板的懸浮能力。研究人員Howard Hu解釋說：“通過微通道的氣流和‘熱蠕變’現象有關。這是一種由沿通道壁的溫度梯度造成的稀薄氣體流動。”
最近，研究人員對納米板飛行器的有效載荷進行了分析，這是確定其能否作為大氣探測器的重要問題。Bargatin團隊設計的納米飛行器質量不足0.3毫克，即使在理想的火星大氣環境中，它們也只能攜帶最多幾毫克重的傳感器。因此，Bargatin團隊正在與其他研究人員合作，以便使化學傳感器更小型化。Bargatin說：“除了攜帶傳感器，納米飛行器還可以執行簡單的著陸任務，讓塵埃或沙子被動附著在上面，然後送回火星車。由此，火星車就沒有必要遠距離行駛了。”
Bargatin認為，火星車可以作為控制納米板飛行器的中樞：通過精確的激光控制，調整引導飛行器的氣流方向。Bargatin說：“就密度而言，地球大氣的中間層和火星大氣層非常相似。然而，我們還沒有飛行器能夠執行去那兒的飛行任務——對太空衛星來說，高度太低了，但對飛機和觀測氣球來說，高度又太高了。如果我們能夠更多地瞭解中間層的大氣運動情況，就能對地球氣候作出更好的預測。”
原創編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：唐林芳
期刊來源：《先進材料》
期刊編號：0935-9648
原文鏈接：https://medium.com/penn-engineering/penn-engineers-nanocardboard-flyers-could-serve-as-martian-atmospheric-probes-36ff86a81e0e?source=friends_link&sk=c31b3e463149ccb37bba49f342dc43a4
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