Tampereen yliopisto

Light-controlled artificial maple seeds could monitor the environment even in hard-to-reach locations

Jaa

Researchers from Tampere University, Finland, and the University of Pittsburgh, USA, have developed a tiny robot replicating the aerial dance of falling maple seeds. In the future, this robot could be used for real-time environmental monitoring or delivery of small samples even in inaccessible terrain such as deserts, mountains or cliffs, or the open sea. This technology could be a game changer for fields such as search-and-rescue, endangered species studies, or infrastructure monitoring.

Wind-dispersed seeds common among maple trees were a key source of inspiration for the light-controlled robot.
Wind-dispersed seeds common among maple trees were a key source of inspiration for the light-controlled robot. Jianfeng Yang / Tampere University

At Tampere University, Professor Hao Zeng and Doctoral Researcher Jianfeng Yang work at the interface between physics, soft mechanics, and material engineering in their Light Robots research group.  They have drawn inspiration from nature to design polymeric gliding structures that can be controlled using light.

Now, Zeng and Yang, with Professor M. Ravi Shankar, from the University of Pittsburgh Swanson School of Engineering utilized a light-activated smart material to control the gliding mode of an artificial maple seed. In nature, maple disperse to new growth sites with the help of flying wings in their samara, or dry fruit. The wings help the seed to rotate as it falls, allowing it to glide in a gentle breeze. The configuration of these wings defines their glide path.

According to the researchers, the artificial maple seed can be actively controlled using light, where its dispersal in the wind can be actively tuned to achieve a range of gliding trajectories. In the future, it can also be equipped with various microsensors for environmental monitoring or be used to deliver, for example, small samples of soil.

Hi-tec robot beats natural seed in adaptability

The researchers were inspired by the variety of gliding seeds of Finnish trees, each exhibiting a unique and mesmerizing flight pattern. Their fundamental question was whether the structure of these seeds could be recreated using artificial materials to achieve a similar airborne elegance controlled by light.

“The tiny light-controlled robots are designed to be released into the atmosphere, utilizing passive flight to disperse widely through interactions with surrounding airflows. Equipped with GPS and various sensors, they can provide real-time monitoring of local environmental indicators like pH levels and heavy metal concentrations” explains Yang.

Inspired by natural maple samara, the team created azobenzene-based light-deformable liquid crystal elastomer that achieves reversible photochemical deformation to finely tune the aerodynamic properties.

“The artificial maple seeds outperform their natural counterparts in adjustable terminal velocity, rotation rate, and hovering positions, enhancing wind-assisted long-distance travel through self-rotation”, says Zeng.

In the beginning of 2023 Zeng and Yang released their first, dandelion seed like mini robot within the project Flying Aero-robots based on Light Responsive Materials Assembly – FAIRY. The project, funded by the Research Council of Finland, started in September 2021, and will continue until August 2026.

“Whether it is seeds or bacteria or insects, nature provides them with clever templates to move, feed and reproduce. Often this comes via a simple, but remarkably functional, mechanical design,” Shankar explains.

“Thanks to advances in materials that are photosensitive, we are able to dictate mechanical behavior at almost the molecular level. We now have the potential to create micro robots, drones, and probes that can not only reach inaccessible areas but also relay critical information to the user. This could be a game changer for fields such as search-and-rescue, endangered or invasive species studies, or infrastructure monitoring,” he adds.

The article "Photochemical Responsive Polymer Films Enable Tunable Gliding Flight" by Jianfeng Yang, M. Ravi Shankar, and Hao Zeng was published in Nature Communications on 1 June, 2024.

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Dr. Hao Zeng
hao.zeng@tuni.fi

Kuvat

Wind-dispersed seeds common among maple trees were a key source of inspiration for the light-controlled robot.
Wind-dispersed seeds common among maple trees were a key source of inspiration for the light-controlled robot.
Jianfeng Yang / Tampere University
Lataa
Superimposed images of natural maple samara on left and artificial seed on right during the descent in the steady air.
Superimposed images of natural maple samara (left) and artificial seed (right) during the descent in the steady air.
Jianfeng Yang / Tampere University
Lataa

Tampere University in brief

Tampere University brings together research and education in technology, health and society. Our collaboration with our partners is built on our strengths, unique combinations of scientific disciplines and applied expertise. We are working together to build a sustainable world. We develop solutions to tackle climate change, protect the natural environment and improve the well-being and sustainability of societies. There are 22,000 students and over 4,000 staff members at Tampere University. www.tuni.fi/en

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Tampereen yliopisto

Kutsu: Pelikulttuuristrategiapäivässä 5. marraskuuta kehitetään kestävämpää pelikulttuuria21.10.2025 09:40:00 EEST | Tiedote

Jotta pelien yhteiskunnalliset mahdollisuudet tunnistettaisiin ja hyödynnettäisiin täysin, pelikasvattajien mukaan tarvitaan kansallista pelikulttuuristrategiaa. Marraskuun 5. päivänä Tampereen yliopiston Paidia-tilassa järjestettävä Pelikulttuuristrategiapäivä kokoaa yhteen Suomen johtavat pelikulttuurin parissa työskentelevät toimijat keskustelemaan kestävän pelikulttuurin kehittämisestä.

Väitös: Näkökyvyn heikkeneminen maksaa Suomelle jopa kolme miljardia euroa vuodessa21.10.2025 08:42:00 EEST | Tiedote

Lääketieteen lisensiaatti Joonas Taipaleen väitöstutkimus osoittaa, että näkökyvyn ylläpitämisellä on merkittävä positiivinen vaikutus kansantalouteen. Näkökyvyn heikkeneminen aiheuttaa vuodessa jopa kolmen miljardin euron kustannukset, mutta niistä vain 1,9 prosenttia johtuu silmälääketieteellisestä hoidosta. Lisäksi näkökyvyn heikkeneminen alentaa huomattavasti elämänlaatua. Kun terveydenhuoltojärjestelmää kehitetään kustannustehokkaammaksi, laskelmissa tulisi ottaa huomioon myös hoitamatta jättämisen ja hoidon lykkääntymisen tuomat kustannukset.

Väitös: Uusi suunnittelumenetelmä parantaa teräsrakenteiden luotettavuutta ja säästää materiaalia16.10.2025 08:40:00 EEST | Tiedote

Nykyiset rakennemitoituksen menetelmät eivät kuvaa riittävän tarkasti rakenteiden käyttäytymistä vauriotilanteissa. Tämä voi johtaa joko ylimitoitukseen ja materiaalihukkaan tai alimitoitukseen ja turvallisuusriskeihin. Diplomi-insinööri Lauri Jaamala kehitti väitöstutkimuksessaan uuden suunnittelumenetelmän, jonka avulla voidaan suunnitella entistä tasalaatuisempia ja materiaalitehokkaampia kantavia rakenteita eurooppalaisten rakentamismääräysten mukaisesti.

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme
World GlobeA line styled icon from Orion Icon Library.HiddenA line styled icon from Orion Icon Library.Eye