Wind-verteilte Sensoren ahmen Löwenzahnsamen für Remote-Monitoring nach

Löwenzahnpflanzen haben sich entwickelt, um ihre Samen mehr als einen Kilometer in der Luft zu verbreiten.

Forscher der University of Washington möchten Sensoren diese Art von Reichweite geben, auf eine Weise, die landwirtschaftliche und umweltbezogene Monitoring-Anwendungen unterstützt.

Normalerweise ist es keine gute Idee, wertvolle drahtlose Sensoren aus großer Höhe fallen zu lassen. Das Team an der UW unter der Leitung von Professoren Shyam Gollakota und Vikram Iyer tat genau das und schuf ein winziges sensortragendes Gerät, das vom Wind geweht wird, während es zum Boden taumelt.

Wie Löwenzahnsamen schweben die Sensoren in der Brise. 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 Solarzellen himmelwärts landeten, mussten die UW-Ingenieure die Form des Löwenzahns nachahmen.

„Die Art, wie Löwenzahnsamenstrukturen funktionieren, ist, dass sie einen zentralen Punkt und diese kleinen Borsten haben, die herausragen, um ihren Fall zu verlangsamen. Wir nahmen eine 2D-Projektion davon, um das Basismodell für unsere Strukturen zu erstellen“, sagte Hauptautor Vikram Iyer, Assistenzprofessor an der Allen School hier. „Als wir Gewicht hinzufügten, begannen sich unsere Borsten nach innen zu biegen. Wir fügten eine Ringstruktur hinzu, um es steifer zu machen und mehr Fläche einzunehmen, um es zu verlangsamen.“

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

Sensordaten wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck und Licht können aus einer Entfernung von 60 Metern geteilt werden. Die Ingenieure entwarfen die leichten, flexiblen Schaltkreise und Elektroniken so, dass sie einen Kondensator enthalten, ein Gerät, das über Nacht etwas Ladung speichert.

Bei einem Test ließ eine Drohne Sensoren aus 20 Metern Höhe fallen und schickte sie etwa 100 Meter über einen nahegelegenen Parkplatz. (Siehe 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 Deployments, die Erstellung von Geräten, die ihre Form während des Falls ändern können, oder sogar das Hinzufügen von mehr Mobilität, damit sich die Geräte am Boden bewegen können, um einem Bereich näher zu kommen, für den wir neugierig sind.“

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

Tech Briefs: Was inspirierte die Wahl, den Löwenzahn zu imitieren? (Die Idee, Sensoren so etwas wie Streuschüsse zu verteilen, fühlt sich für mich etwas kontraintuitiv an!)

Prof. Vikram Iyer: Wenn wir über einen Löwenzahnsamen aus ingenieurtechnischer Perspektive nachdenken, hat er ziemlich erstaunliche Fähigkeiten. Diese kleinen Pflanzen können sich nicht einmal bewegen, aber sie haben sich entwickelt, um ihre Samen unter den richtigen Bedingungen bis zu einem Kilometer zu verbreiten. Genau das möchten wir für die Automatisierung der Bereitstellung drahtloser Sensornetzwerke tun. Wenn wir Sensormessungen über ein wirklich großes geografisches Gebiet für Umweltmonitoring in der Landwirtschaft oder Klimawandelstudien durchführen wollen, kann dies sehr zeitaufwändig und teuer oder sogar gefährlich in einigen abgelegenen Orten sein. In dieser Arbeit schauen wir stattdessen auf Löwenzahnsamen als Inspiration, um diesen Prozess zu automatisieren, indem wir Sensoren schaffen, die sich im Wind verteilen.

Tech Briefs: Wie stark kann der Verbreitungsweg des Sensors kontrolliert werden? Was sind die Vor- und Nachteile des Aussendens der Sensor-„Samen“ etwas zufällig?

Prof. Vikram Iyer: Um eine gute Abdeckung über ein Gebiet zu erhalten, schauen wir wieder zur Natur. Pflanzen können nicht garantieren, dass der Ort, an dem sie dieses Jahr gewachsen sind, nächstes Jahr gut sein wird, und die natürliche Variation zwischen Samen ermöglicht es einigen, weiter weg zu reisen, um ihre Wetten abzusichern. Wir verfolgen den gleichen Ansatz und entwerfen ein ganzes Array verschiedener Strukturen, die für unterschiedliche Zeiträume in der Luft schweben. Das bedeutet, dass sogar unter denselben Windbedingungen einige von ihnen näher landen und andere weiter reisen, um eine gleichmäßige Abdeckung über ein Gebiet zu erhalten. Als nächsten Schritt erforschen wir Wege, die Form dieser Strukturen im Flug zu ändern, um noch feinere Kontrolle zu erhalten.

Tech Briefs: Wäre es nicht wichtig, den Standort jedes Sensors zu kennen? Wie könnte das gemacht werden?

Prof. Vikram Iyer: Wir können das Design der Sensoren variieren, um eine gleichmäßige Abdeckung über ein Gebiet zu erhalten. Wir haben auch mehrere Techniken für drahtlose Lokalisierung gezeigt, die wir zuvor verwendet haben, um Hummeln hier, Mordhornissen hier und kleine Objekte im Haus oder Krankenhaus hier zu verfolgen, die wir hoffen, mit dieser Plattform zu integrieren. Wir können dies tun, indem wir Dinge wie die Signalstärke der drahtlosen Signale betrachten und die Signale vergleichen, die wir auf mehreren Antennen erhalten, um den Winkel zum Sensor zu bestimmen und seine Position zu triangulieren.

Tech Briefs: Für Backscatter, woher käme das gesendete Signal? Müsste jeder Sensor separat abgefragt werden?

Prof. Vikram Iyer: Um das Signal zu senden und die Daten zurückzulesen, bauen wir einen Zugangspunkt mit einem Funktransmitter und -empfänger, ähnlich einem Wi-Fi-Router. Eines der coolen Dinge an dieser Arbeit ist, dass wir zeigen, dass ein einzelner Zugangspunkt mit einem unserer Sensoren bis zu 60 m Entfernung kommunizieren kann, und wir zeigen dies mit Experimenten, bei denen Zugangspunkte am Boden über ein Fußballfeld kommunizieren. Wir könnten auch eine Drohne verwenden, um dieses gleiche Setup zu tragen, um die Daten zu lesen, oder ein hybrides Setup mit Stationen am Boden und Drohnen, abhängig vom Bereitstellungsszenario. Wir erforschen mehrere Strategien, um mit vielen Sensoren zu kommunizieren, beispielsweise indem wir nutzen, dass sie Energy Harvesting betreiben und zu unterschiedlichen Zeiten starten, und auch Zeitverzögerungen hinzufügen, um sicherzustellen, dass ihre Übertragungen nicht interferieren. Wir können auch unsere frühere Arbeit zu Backscatter-Protokollen hier integrieren, die skaliert werden können, um viele Geräte für verbesserte Leistung in zukünftigen Versionen zu unterstützen.

Tech Briefs: Für welche Anwendungen ist diese Fähigkeit am wertvollsten?

Prof. Vikram Iyer: Diese Technologie könnte für alle Arten von Umweltmonitoring-Anwendungen nützlich sein, bei denen Sie Sensoren über ein großes Gebiet verteilen möchten. Zum Beispiel für Präzisionslandwirtschaft, Umweltmonitoring für den Klimawandel, besonders abgelegene, schwer zugängliche Gebiete wie Wälder und Gletscher. Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit ist, dass wir zeigen, wie wir diese winzigen, drahtlosen Computing- und Sensorggeräte mit programmierbaren, allgemeinen Computing-Geräten entwerfen können. Dies ermöglicht jedem mit Informatik- oder Ingenieurhintergrund, auf unserem System aufzubauen und die Kern-Computing- und Sensing-Plattform für andere Anwendungen wie tragbare Sensoren, medizinische Implantate und Mikroroboter anzupassen.

Tech Briefs: Wie war es, dies zu testen, und was war am denkwürdigsten, als Sie dies testeten?

Prof. Vikram Iyer: Eines der wirklich coolen Features der Nachahmung des Designs eines Löwenzahnsamens ist, dass er immer mit derselben Seite nach oben fällt. Selbst wenn man ihn verkehrt herum fallen lässt, kann man sehen, wie er sich in der Luft umdreht, um sich selbst zu korrigieren. Das ist tatsächlich sehr wichtig für unser Design, weil es sicherstellt, dass unsere Solarzellen nach oben zeigen und Sonnenlicht sammeln können, um unseren batterielosen Sensor zu betreiben.

Tech Briefs: Was kommt als Nächstes?

Prof. Vikram Iyer: Zusätzlich zu den oben genannten Dingen wie dem Entwerfen von Wegen, die Form der Struktur während des Falls zu ändern, drahtloser Lokalisierung und der Erforschung von Dingen wie biologisch abbaubaren Materialien, um diese Geräte nachhaltiger zu machen und zu verhindern, dass sie die Umwelt verschmutzen, ist diese Arbeit Teil unserer umfassenderen Vision, das Internet der bio-inspirierten und biologischen Dinge zu schaffen. Speziell gibt es eine ziemlich große Lücke zwischen biologischen Systemen und den Fähigkeiten aktueller IoT- und eingebetteter Systeme, die viel größer und schwerer sind und sich meist nicht bewegen können. Stattdessen stellen Sie sich vor, wenn wir winzige batterielose drahtlose Geräte schaffen können, die sich bewegen können und tatsächlich in der Luft schweben, ähnlich wie Löwenzahnsamen. Wenn wir das könnten, könnten wir Hunderte von Sensoren im Wind in abgelegenen, schwer zugänglichen Gebieten wie Wäldern, Gletschern einsetzen. Oder wenn wir drahtlose Sensoren schaffen, die so klein sind hier, dann können wir sie auch an winzige Insekten wie Bienen, Käfer und Mordhornissen hier anbringen und diese Sensoren nutzen, um ihr Verhalten in der Wildnis zu studieren. Wenn wir einen Schritt weiter gehen könnten, um Aktuatoren mit diesen drahtlosen Sensoren zu integrieren, könnten wir sie befähigen, sich frei zu bewegen und Insekten-skaliere Roboter hier zu bauen.

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