Плавающие датчики распространяются подобно семенам одуванчика

В ходе эволюции одуванчики разбрасывали свои семена на расстояние более километра по воздуху.

Исследователи из Вашингтонского университета хотят создать датчики с таким расстоянием, чтобы их можно было использовать в сельском хозяйстве и при мониторинге окружающей среды.

Обычно сбрасывать ценные беспроводные датчики с большой высоты — не лучшая идея. Тем не менее, под руководством профессоров Шьяма Голлакоты и Викрама Айера команда Университета Вашингтона сделала именно это, создав крошечное устройство с датчиками, которое может уносить ветер, когда оно падает на землю.

Подобно семенам одуванчика, сенсоры плывут по ветру. Устройство примерно в 30 раз тяжелее семени одуванчика весом 1 мг и способно преодолевать расстояние до 100 метров в ветреный день.

Чтобы устройства оставались легкими и чтобы датчики приземлялись солнечными панелями вверх, инженерам UW нужно было имитировать форму одуванчика.

«Способ работы структур семян одуванчика заключается в том, что у них есть центральная точка и эти маленькие торчащие щетинки, чтобы замедлить их падение. Мы сделали его 2D-проекцию, чтобы создать базовый дизайн для наших структур», — сказал ведущий автор Викрам Айер, доцент Университета Вашингтона в школе Аллена . «Когда мы добавили вес, наши щетинки начали изгибаться внутрь. Мы добавили кольцевую структуру, чтобы сделать его более жестким и занимать больше места, чтобы замедлить его».

Благодаря лазерной микрообработке Айер и его команда смогли протестировать различные узоры и размеры.

Данные датчиков, такие как температура, влажность, давление и свет, могут передаваться с расстояния 60 метров. Инженеры разработали легкие, гибкие схемы и электронику, включающие конденсатор — устройство, которое накапливает заряд в течение ночи.

Во время одного из испытаний беспилотник сбрасывал датчики с высоты 20 метров и посылал датчики примерно на 100 метров через ближайшую парковку. (См. видео ниже).

«Это только первый шаг, — сказал Айер. «Сейчас у нас есть много других направлений, таких как разработка крупномасштабных развертываний, создание устройств, которые могут менять форму при падении, или даже добавление большей мобильности, чтобы устройства могли перемещаться, как только они окажутся на земле. приблизиться к интересующей нас области».

В коротких вопросах и ответах с Tech Briefs ниже Айер более подробно рассказывает о преимуществах и недостатках отправки датчиков в исходном стиле.

Технические обзоры :Что вдохновило вас на выбор подражать одуванчику? (Идея, вроде, датчиков рассеяния кажется мне немного нелогичной!)

Проф. Викрам Айер :Если мы подумаем о семенах одуванчика с инженерной точки зрения, у них есть довольно удивительные возможности. Эти маленькие растения даже не могут двигаться, но они эволюционировали, чтобы позволить своим семенам рассеиваться на расстояние до километра в правильных условиях. Это именно то, что мы хотели бы сделать для автоматизации развертывания сетей беспроводных датчиков. Если мы хотим провести сенсорные измерения на действительно большой географической территории, чтобы провести мониторинг окружающей среды для сельского хозяйства или изучения изменения климата, это может занять очень много времени и денег, а в некоторых удаленных местах даже опасно. Вместо этого в этой работе мы обращаемся к семенам одуванчика за вдохновением, чтобы автоматизировать этот процесс, создавая датчики, которые могут рассеиваться на ветру.

Технические обзоры :Насколько можно контролировать путь рассеивания датчика? Каковы преимущества и недостатки случайной отправки датчиков «Семян»?

Проф. Викрам Айер :Чтобы получить хороший охват территории, мы снова обращаемся к природе. Растения не могут гарантировать, что то место, где они выросли в этом году, будет хорошим в следующем году, а естественные различия между семенами позволяют некоторым улетать дальше, чтобы подстраховаться. Мы используем тот же подход и проектируем целый ряд различных конструкций, которые парят в воздухе в течение разных периодов времени. Это означает, что даже при одинаковых ветровых условиях мы можем убедиться, что некоторые из них приземляются ближе, а другие перемещаются дальше, чтобы обеспечить равномерное покрытие по площади. В качестве следующего шага мы изучаем способы изменения формы этих структур во время полета, чтобы получить еще более точный контроль.

Технические обзоры :Разве не важно знать расположение каждого датчика? Как это можно сделать?

Проф. Викрам Айер :Мы можем варьировать дизайн датчиков, чтобы обеспечить равномерное покрытие по площади. Ранее мы также продемонстрировали несколько методов беспроводной локализации, которые мы использовали для отслеживания шмелей , шершни-убийцы и мелкие предметы дома или в больнице которые мы надеемся интегрировать с этой платформой. Мы можем сделать это, взглянув на такие вещи, как мощность беспроводных сигналов и сравнив сигналы, которые мы получаем на нескольких антеннах, чтобы определить угол к датчику и триангулировать его положение.

Технические обзоры :Что касается обратного рассеяния, откуда будет исходить передаваемый сигнал? Нужно ли опрашивать каждый датчик отдельно?

Проф. Викрам Айер :Для передачи сигнала и считывания данных мы строим точку доступа с радиопередатчиком и приемником, наподобие Wi-Fi-маршрутизатора. Одна из замечательных особенностей этой работы заключается в том, что мы показываем, что одна точка доступа может связываться с одним из наших датчиков на расстоянии до 60 м, и мы показываем это с помощью экспериментов с использованием точек доступа на земле, обменивающихся данными через футбольное поле. Мы также могли бы использовать беспилотник для переноса той же установки для считывания данных или использовать гибридную установку со станциями на земле и дронами в зависимости от сценария развертывания. Мы изучаем несколько стратегий для связи со многими датчиками, например, используя тот факт, что они собирают энергию и будут запускаться в разное время, а также добавляя временные задержки, чтобы их передачи не мешали. Мы также можем интегрировать нашу предыдущую работу по протоколам обратного рассеяния который может масштабироваться для поддержки многих устройств для повышения производительности в будущих версиях

Технические обзоры :для каких приложений эта возможность наиболее ценна?

Проф. Викрам Айер :эта технология может быть полезна для всех видов приложений мониторинга окружающей среды, где вы хотите разместить датчики на большой площади. Например, для точного земледелия, мониторинга окружающей среды на предмет изменения климата, особенно в отдаленных, труднодоступных районах, таких как леса и ледники. Другой важной частью этой работы является то, что мы показываем, как мы можем спроектировать эти крошечные беспроводные вычислительные и сенсорные устройства с помощью программируемых вычислительных устройств общего назначения. Это позволяет любому специалисту в области информатики или инженерного дела использовать нашу систему и настраивать базовую вычислительную и сенсорную платформу для других приложений, таких как носимые датчики, медицинские имплантаты и микророботы.

Технические обзоры :Каково было тестировать это и что вам больше всего запомнилось при тестировании?

Проф. Викрам Айер :Одна из действительно крутых особенностей имитации дизайна семени одуванчика заключается в том, что оно всегда падает одной и той же стороной вверх. Даже если вы уроните его вверх ногами, вы увидите, как он перевернется в воздухе, чтобы исправиться. На самом деле это очень важно для нашей конструкции, поскольку гарантирует, что наши солнечные элементы будут обращены вверх и смогут собирать солнечный свет для питания нашего датчика без батареи.

Технические обзоры :Что дальше?

Проф. Викрам Айер :В дополнение к упомянутым выше вещам, таким как разработка способов изменения формы конструкции при ее падении, локализация ее по беспроводной связи и изучение таких вещей, как биоразлагаемые материалы, чтобы сделать эти устройства более устойчивыми и предотвратить загрязнение окружающей среды, эта работа является частью нашего более широкого видения создания Интернета био-вдохновленных и биологических вещей. В частности, существует довольно большой разрыв между биологическими системами и возможностями современных IoT и встроенных систем, которые намного больше и тяжелее, и большинство из них не могут перемещаться. Вместо этого представьте, если бы мы могли создать крошечные беспроводные устройства без батареек, которые могли бы перемещаться и фактически парить в воздухе, подобно семенам одуванчика. Если бы мы могли это сделать, мы могли бы разместить сотни датчиков на ветру в отдаленных, труднодоступных районах, таких как леса, ледники. Или если мы создадим такие маленькие беспроводные датчики , то мы также можем начать прикреплять их к крошечным насекомым, таким как пчелы, жуки и шершни-убийцы затем мы можем использовать эти датчики для изучения их поведения в дикой природе. Если мы сможем пойти еще дальше и интегрировать приводы с этими беспроводными датчиками, мы сможем позволить им свободно перемещаться и создавать роботов размером с насекомое .

Что вы думаете? Поделитесь своими вопросами и комментариями ниже.

Также:прочитайте наши "5 W" о достижениях, вдохновленных одуванчиками.

Подробнее 5 высокотехнологичных материалов, которые чувствуют и обнаруживают