Schwimmende Sensoren verbreiten sich wie Löwenzahnsamen

Löwenzahn hat sich so entwickelt, dass er seine Samen mehr als einen Kilometer in der Luft verteilt.

Forscher der University of Washington wollen Sensoren diese Art von Distanz verleihen, und zwar auf eine Weise, die landwirtschaftliche und Umweltüberwachungsanwendungen unterstützt.

Normalerweise ist es nicht die beste Idee, wertvolle drahtlose Sensoren aus großer Höhe fallen zu lassen. Unter der Leitung der Professoren Shyam Gollakota und Vikram Ayer hat das Team der UW jedoch genau das getan, indem es ein winziges sensortragendes Gerät geschaffen hat, das vom Wind weggeblasen werden kann, wenn es auf den Boden fällt.

Wie Löwenzahnsamen schweben die Sensoren im Wind. Das Gerät, etwa 30-mal so schwer wie ein 1-Milligramm-Löwenzahnsamen, kann an einem windigen Tag bis zu 100 Meter zurücklegen.

Um die Geräte leicht zu halten und sicherzustellen, dass die Sensoren mit den Sonnenkollektoren nach oben gelandet sind, mussten die UW-Ingenieure die Form des Löwenzahns nachahmen.

„Löwenzahnsamenstrukturen funktionieren so, dass sie einen zentralen Punkt haben und diese kleinen Borsten herausragen, um ihren Fall zu verlangsamen. Wir haben davon eine 2D-Projektion gemacht, um das Basisdesign für unsere Strukturen zu erstellen“, sagte Hauptautor Vikram Iyer, ein UW-Assistenzprofessor an der Allen School . „Als wir Gewicht hinzufügten, fingen unsere Borsten an, sich nach innen zu biegen. Wir haben eine Ringstruktur hinzugefügt, um es steifer zu machen und mehr Fläche einzunehmen, um es zu verlangsamen.“

Mit der Lasermikrobearbeitung konnten Iyer und das Team eine Vielzahl von Mustern und Größen testen.

Sensordaten wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Licht können aus einer Entfernung von 60 Metern geteilt werden. Die Ingenieure entwarfen die leichten, flexiblen Schaltkreise und die Elektronik mit einem Kondensator, einem Gerät, das über Nacht etwas Ladung speichert.

Während eines Tests ließ eine Drohne Sensoren aus einer Höhe von 20 Metern fallen und schickte die Sensoren etwa 100 Meter über einen nahe gelegenen Parkplatz. (Siehe das Video unten).

„Das ist nur der erste Schritt“, sagte Iyer. „Es gibt so viele andere Richtungen, die wir jetzt einschlagen können – wie die Entwicklung größerer Bereitstellungen, die Entwicklung von Geräten, die ihre Form ändern können, wenn sie fallen, oder sogar das Hinzufügen von etwas mehr Mobilität, damit sich die Geräte bewegen können, sobald sie am Boden sind einem Bereich näher kommen, auf den wir neugierig sind.“

In einem kurzen Q&A mit Tech Briefs Unten spricht Iyer mehr über die Vor- und Nachteile des Sendens von Sensoren im Seed-Stil.

Technische Informationen :Was inspirierte die Wahl, den Löwenzahn zu imitieren? (Die Idee von Scatter-Shooting-Sensoren erscheint mir etwas kontraintuitiv!)

Prof. Vikram Ayer :Wenn wir aus technischer Sicht über einen Löwenzahnsamen nachdenken, hat er einige ziemlich erstaunliche Fähigkeiten. Diese kleinen Pflanzen können sich nicht einmal bewegen, aber sie haben sich so entwickelt, dass sie ihre Samen unter den richtigen Bedingungen bis zu einem Kilometer weit ausbreiten können. Genau das möchten wir tun, um den Einsatz von drahtlosen Sensornetzwerken zu automatisieren. Wenn wir Sensormessungen in einem wirklich großen geografischen Gebiet durchführen möchten, um die Umweltüberwachung für die Landwirtschaft oder Studien zum Klimawandel durchzuführen, kann dies sehr zeitaufwändig und teuer oder an einigen abgelegenen Orten sogar gefährlich sein. In dieser Arbeit suchen wir stattdessen nach Löwenzahnsamen als Inspiration, um diesen Prozess zu automatisieren, indem wir Sensoren entwickeln, die sich im Wind ausbreiten können.

Technische Informationen :Wie weit kann der Ausbreitungsweg des Sensors kontrolliert werden? Welche Vor- und Nachteile hat es, die Sensor-„Seeds“ eher wahllos auszusenden?

Prof. Vikram Ayer :Um einen Bereich gut abzudecken, schauen wir eigentlich wieder in die Natur. Pflanzen können nicht garantieren, dass der Ort, an dem sie dieses Jahr aufgewachsen sind, nächstes Jahr gut sein wird, und die natürliche Variation zwischen den Samen ermöglicht es einigen, weiter weg zu reisen, um ihre Wetten abzusichern. Wir verfolgen den gleichen Ansatz und entwerfen eine ganze Reihe verschiedener Strukturen, die für unterschiedliche Zeiträume in der Luft schweben. Das bedeutet, dass wir selbst bei gleichen Windbedingungen sicherstellen können, dass einige von ihnen näher landen und andere weiter fliegen, um eine gleichmäßige Abdeckung über ein Gebiet zu erhalten. Als nächsten Schritt untersuchen wir Möglichkeiten, wie wir die Form dieser Strukturen während des Flugs ändern können, um eine noch feinkörnigere Kontrolle zu erhalten.

Technische Informationen :Wäre es nicht wichtig, die Position jedes Sensors zu kennen? Wie könnte das gemacht werden?

Prof. Vikram Ayer :Wir können das Design der Sensoren variieren, um eine gleichmäßige Abdeckung eines Bereichs zu erreichen. Wir haben auch bereits mehrere Techniken zur drahtlosen Lokalisierung gezeigt, die wir zur Verfolgung von Hummeln verwendet haben , Mordhornissen , und kleine Gegenstände rund ums Haus oder in einem Krankenhaus die wir hoffen, in diese Plattform integrieren zu können. Wir können dies tun, indem wir uns Dinge wie die Stärke des drahtlosen Signals ansehen und die Signale vergleichen, die wir auf mehreren Antennen erhalten, um den Winkel zum Sensor herauszufinden und seine Position zu triangulieren.

Technische Informationen :Für Backscatter, woher würde das übertragene Signal kommen? Müsste jeder Sensor separat abgefragt werden?

Prof. Vikram Ayer :Um das Signal zu übertragen und die Daten zurückzulesen, bauen wir einen Zugangspunkt mit einem Funksender und -empfänger, ähnlich einem WLAN-Router. Eines der coolen Dinge an dieser Arbeit ist, dass wir zeigen, dass ein einzelner Zugangspunkt mit einem unserer Sensoren in einer Entfernung von bis zu 60 m kommunizieren kann, und wir zeigen dies anhand von Experimenten mit Zugangspunkten am Boden, die über ein Fußballfeld kommunizieren. Wir könnten auch eine Drohne verwenden, um denselben Aufbau zum Lesen der Daten zu tragen, oder je nach Einsatzszenario einen Hybridaufbau mit Stationen am Boden und Drohnen verwenden. Wir untersuchen mehrere Strategien, um mit vielen Sensoren zu kommunizieren, indem wir beispielsweise die Tatsache nutzen, dass sie Energie ernten und zu unterschiedlichen Zeiten starten, und auch Zeitverzögerungen hinzufügen, um sicherzustellen, dass ihre Übertragungen nicht stören. Wir können auch unsere frühere Arbeit an Backscatter-Protokollen integrieren die skaliert werden kann, um viele Geräte für eine verbesserte Leistung in zukünftigen Versionen zu unterstützen

Technische Informationen :Für welche Anwendungen ist diese Funktion am wertvollsten?

Prof. Vikram Ayer :Diese Technologie könnte für alle Arten von Umweltüberwachungsanwendungen nützlich sein, bei denen Sie Sensoren über einen großen Bereich verteilen möchten. Zum Beispiel für Präzisionslandwirtschaft, Umweltüberwachung für den Klimawandel, insbesondere abgelegene, schwer zugängliche Gebiete wie Wälder und Gletscher. Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit ist, dass wir zeigen, wie wir diese winzigen, drahtlosen Computer- und Sensorgeräte mit programmierbaren Allzweck-Computergeräten entwerfen können. Dadurch kann jeder mit einem Hintergrund in Informatik oder Ingenieurwesen auf unserem System aufbauen und die zentrale Computer- und Sensorplattform für andere Anwendungen wie tragbare Sensoren, medizinische Implantate und Mikroroboter anpassen.

Technische Informationen :Wie war es, dies zu testen, und was ist Ihnen am besten in Erinnerung geblieben, als Sie es getestet haben?

Prof. Vikram Ayer :Eines der wirklich coolen Merkmale bei der Nachahmung des Designs eines Löwenzahnsamens ist, dass er immer mit der gleichen Seite nach oben fällt. Selbst wenn Sie es verkehrt herum fallen lassen, können Sie sehen, wie es sich in der Luft umdreht, um sich selbst zu korrigieren. Dies ist tatsächlich sehr wichtig für unser Design, da es sicherstellt, dass unsere Solarzellen nach oben zeigen und Sonnenlicht sammeln können, um unseren batterielosen Sensor mit Strom zu versorgen.

Technische Informationen :Was kommt als nächstes?

Prof. Vikram Ayer :Zusätzlich zu den oben erwähnten Dingen wie dem Entwerfen von Möglichkeiten, die Form der Struktur zu ändern, wenn sie fällt, sie drahtlos zu lokalisieren und Dinge wie biologisch abbaubare Materialien zu erforschen, um diese Geräte nachhaltiger zu machen und zu verhindern, dass sie die Umwelt verschmutzen, ist diese Arbeit ein Teil unserer umfassenderen Vision, das Internet der bioinspirierten und biologischen Dinge zu schaffen. Insbesondere gibt es eine ziemlich große Lücke zwischen biologischen Systemen und den Fähigkeiten aktueller IoT- und eingebetteter Systeme, die viel größer und schwerer sind und die meisten sich nicht bewegen können. Stellen Sie sich stattdessen vor, wir könnten winzige batterielose drahtlose Geräte herstellen, die sich bewegen können und tatsächlich ähnlich wie Löwenzahnsamen in der Luft schweben. Wenn wir das könnten, könnten wir Hunderte von Sensoren im Wind in abgelegenen, schwer zugänglichen Gebieten wie Wäldern oder Gletschern einsetzen. Oder wenn wir drahtlose Sensoren entwickeln, die so klein sind , dann können wir sie auch an kleine Insekten wie Bienen, Käfer und Mordhornissen heften dann können wir diese Sensoren verwenden, um ihr Verhalten in freier Wildbahn zu untersuchen. Wenn wir noch einen Schritt weiter gehen und Aktuatoren mit diesen drahtlosen Sensoren integrieren können, können wir ihnen ermöglichen, sich frei zu bewegen und Roboter im Maßstab von Insekten zu bauen .

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Außerdem:Lesen Sie unsere "5 Ws" über die vom Löwenzahn inspirierte Errungenschaft.

Weitere Informationen 5 Hightech-Materialien, die wahrnehmen und erkennen