Ветроплавание сенсоров, имитирующих семена одуванчика, для удаленного мониторинга

Одуванчики эволюционировали, чтобы рассеивать свои семена более чем на километр в воздухе.

Исследователи из Вашингтонского университета хотят дать датчикам такую дистанцию, способом, поддерживающим сельскохозяйственные и экологические мониторинговые применения.

Обычно не лучшая идея сбрасывать ценные беспроводные датчики с больших высот. Однако команда при профессорах Шьяме Голлакоте и Викраме Айере сделала именно это, создав крошечное устройство, несущее датчик, которое может быть унесено ветром, пока оно кувыркается к земле.

Как семена одуванчика, датчики парят в бризе. Устройство, примерно в 30 раз тяжелее 1-миллиграммового семени одуванчика, может пролететь до 100 метров в ветреный день.

Чтобы держать устройства легкими и обеспечить, чтобы датчики приземлялись с солнечными панелями, обращенными вверх, инженерам UW нужно было имитировать форму одуванчика.

«Способ, которым работают структуры семян одуванчика, в том, что у них есть центральная точка и эти маленькие щетинки, выходящие наружу, чтобы замедлить их падение. Мы взяли 2D проекцию этого, чтобы создать базовый дизайн для наших структур», — сказал ведущий автор Викрам Айер, ассистент профессор в Алленовской школе . «Когда мы добавляли вес, наши щетинки начинали загибаться внутрь. Мы добавили кольцевую структуру, чтобы сделать её более жесткой и занять больше площади, чтобы помочь замедлить падение».

С лазерным микромеханическим обработкой Айер и команда могли протестировать множество узоров и размеров.

Сенсорные данные вроде температуры, влажности, давления и света могут быть переданы на расстояние 60 метров. Инженеры спроектировали легкие, гибкие цепи и электронику, включая конденсатор, устройство, хранящее заряд на ночь.

Во время одного теста дрон сбросил датчики с высоты 20 метров и отправил их примерно на 100 метров через ближайшую парковку. (Смотрите видео ниже).

«Это только первый шаг», — сказал Айер. «Есть так много других направлений, которые мы можем взять теперь — такие как разработка более крупных развертываний, создание устройств, которые могут менять форму во время падения, или даже добавление большей подвижности, чтобы устройства могли двигаться, когда они на земле, чтобы приблизиться к зоне, которая нас интересует».

В коротком Q&A с Tech Briefs ниже, Айер говорит больше о преимуществах и недостатках отправки датчиков «семенами».

Tech Briefs: Что вдохновило выбор имитации одуванчика? (Идея разбрасывания датчиков кажется немного контр-интуитивной!)

Проф. Викрам Айер: Если мы думаем о семени одуванчика с инженерной точки зрения, у него есть довольно удивительные возможности. Эти маленькие растения даже не могут двигаться, но они эволюционировали, чтобы уметь рассеивать свои семена до километра в правильных условиях. Это именно то, что мы хотели бы сделать для автоматизации развертывания беспроводных сенсорных сетей. Если мы хотим брать сенсорные измерения по действительно большому географическому участку для экологического мониторинга для сельского хозяйства или изучения климатических изменений, это может быть очень затратным по времени и дорого, или даже опасным в некоторых удаленных локациях. В этой работе мы вместо этого смотрим на семена одуванчика для вдохновения автоматизации этого процесса созданием датчиков, которые могут рассеиваться на ветре.

Tech Briefs: Насколько можно контролировать путь рассеивания датчика? Каковы преимущества и недостатки отправки датчиков «Семян» немного случайно?

Проф. Викрам Айер: Чтобы получить хорошее покрытие над областью, мы на самом деле смотрим на природу снова. Растения не могут гарантировать, что то, где они выросли в этом году, будет хорошо в следующем, и естественная вариация между семенами позволяет некоторым улететь дальше, чтобы застраховаться. Мы берем тот же подход и проектируем целый массив разных структур, парящих в воздухе разные периоды времени. Это значит, что даже в тех же ветровых условиях мы можем заставить некоторые приземляться ближе, а другие улететь дальше для равномерного покрытия области. Как следующий шаг, мы исследуем способы изменения формы этих структур в полете для еще более тонкого контроля.

Tech Briefs: Не важно ли знать локацию каждого датчика? Как это можно сделать?

Проф. Викрам Айер: Мы можем варьировать дизайн датчиков для помощи в получении равномерного покрытия над областью. Мы также показали множественные техники беспроводной локализации раньше, которые мы использовали для отслеживания шмелей , шершней и маленьких объектов по дому или в больнице , которые мы надеемся интегрировать с этой платформой. Мы можем делать это, глядя на такие вещи, как сила беспроводного сигнала и сравнивая сигналы, которые мы получаем на множественных антеннах, чтобы вычислить угол к датчику и триангулировать его позицию.

Tech Briefs: Для бэкскеттера, откуда придет переданный сигнал? Должен ли каждый датчик быть опрошен отдельно?

Проф. Викрам Айер: Для передачи сигнала и чтения данных мы строим точку доступа с радиопередатчиком и приемником, похожую на Wi-Fi роутер. Одна из крутых вещей об этой работе — мы показываем, что одна точка доступа может коммуницировать с одним из наших датчиков до 60м, и мы показываем это экспериментами с точками доступа на земле, коммуницирующими через футбольное поле. Мы также могли бы использовать дрон для переноса этого же сетапа для чтения данных, или гибридный сетап со станциями на земле и дронами в зависимости от сценария развертывания. Мы исследуем множественные стратегии коммуникации со многими датчиками, например, используя тот факт, что они собирают энергию и запускаются в разное время, и также добавляя временные задержки, чтобы убедиться, что их передачи не интерферируют. Мы также можем интегрировать нашу предыдущую работу по протоколам бэкскеттера , которые могут масштабироваться для поддержки множества устройств для улучшенной производительности в будущих версиях.

Tech Briefs: Для каких применений эта способность наиболее ценна?

Проф. Викрам Айер: Эта технология может быть полезна для всех видов экологических мониторинговых применений, где вы хотите рассеять датчики над большой областью. Например, для прецизионного земледелия, экологического мониторинга климатических изменений, особенно удаленных, труднодоступных областей как леса и ледники. Другая важная часть этой работы — мы показываем, как мы можем проектировать эти крошечные беспроводные вычислительные и сенсорные устройства с программируемыми, общего назначения вычислительными устройствами. Это позволяет любому с фоном компьютерных наук или инженерии строить на нашей системе и кастомизировать ядро вычислительной и сенсорной платформы для других применений как носимые датчики, медицинские импланты и микророботы.

Tech Briefs: Как было тестировать это, и что было самым запоминающимся когда вы тестировали это?

Проф. Викрам Айер: Одна из действительно крутых особенностей эмуляции дизайна семени одуванчика — оно всегда падает с одной и той же стороной вверх. Даже если вы бросаете его вверх ногами, вы можете видеть, как оно переворачивается в полете, чтобы исправить себя. Это на самом деле очень важно для нашего дизайна, потому что это гарантирует, что наши солнечные ячейки смотрят вверх и могут собирать солнечный свет для питания нашего безбатарейного датчика.

Tech Briefs: Что дальше?

Проф. Викрам Айер: Помимо упомянутых выше вещей, таких как проектирование способов изменения формы структуры во время падения, беспроводная локализация, и изучение биоразлагаемых материалов для дела этих устройств более устойчивыми и предотвращения их загрязнения окружающей среды, эта работа является частью нашего более широкого видения создания Интернета био-вдохновенных и биологических вещей. Конкретно, есть довольно большая пробел между биологическими системами и возможностями текущих IoT и встроенных систем, которые намного больше и тяжелее и большинство не могут двигаться. Вместо этого представьте, если мы можем создать крошечные безбатарейные беспроводные устройства, которые могут двигаться, и в самом деле парить в воздухе похоже на семена одуванчика. Если мы могли бы это сделать, мы могли бы развернуть сотни датчиков на ветре в удаленных, труднодоступных областях как леса, ледники. Или если мы создадим беспроводные датчики такие маленькие , то мы также сможем начать прикреплять их к крошечным насекомым как пчелы, жуки и шершни , тогда мы сможем использовать эти датчики для изучения их поведения в дикой природе. Если мы сможем пойти шаг дальше и интегрировать актуаторы с этими беспроводными датчиками, мы сможем дать им способность двигаться свободно и строить насекомо-масштабные роботов .

Что вы думаете? Делитесь вопросами и комментариями ниже.

Также: Прочитайте наши «5 Ws» об одуванчиково-вдохновленном достижении.

Узнайте о 5 высокотехнологичных материалах, чувствующих и обнаруживающих