Wind-Verspreide Sensoren Simuleren Madeliefjeszaad voor Remote Monitoring

Madeliefjes hebben geëvolueerd om hun zaden meer dan een kilometer in de lucht te disperseren.

Onderzoekers van de University of Washington willen sensoren die soort afstand geven, op een manier die landbouw- en milieu-monitoring toepassingen ondersteunt.

Meestal is het niet het beste idee om waardevolle draadloze sensoren vanaf grote hoogtes te droppen. Onder leiding van Professors Shyam Gollakota en Vikram Ayer, deed het team van UW dat toch, en creëerde een miniatuur sensor-dragend apparaat dat door de wind geblazen kan worden terwijl het naar de grond tolt.

Als madeliefjeszaden zweven de sensoren in de bries. Het apparaat, ongeveer 30 keer zo zwaar als een 1-milligram madeliefjeszaad, kan op een winderige dag tot 100 meter reizen.

Om de apparaten licht te houden en te garanderen dat de sensoren met de zonnepanelen naar de hemel gericht landden, moesten de UW-ingenieurs de vorm van de madeliefjes nabootsen.

'De manier waarop madeliefjeszaadstructuren werken is dat ze een centraal punt hebben en deze kleine borstels die eruit steken om hun val te vertragen. We namen een 2D-projectie daarvan om het basisontwerp voor onze structuren te creëren,' zei hoofdauteur Vikram Iyer, een UW-assistent-professor in de Allen School . 'Naarmate we gewicht toevoegden, begonnen onze borstels naar binnen te buigen. We voegden een ringstructuur toe om het stijver te maken en meer oppervlakte op te vangen om het te vertragen.'

Met lasermicromachining konden Iyer en het team een verscheidenheid aan patronen en formaten testen.

Sensordata zoals temperatuur, vochtigheid, druk en licht kan op een afstand van 60 meter gedeeld worden. De ingenieurs ontwierpen de lichte, flexibele circuits en elektronica om een condensator te bevatten, een apparaat dat 's nachts enige lading opslaat.

Tijdens één test droeg een drone sensoren vanaf een hoogte van 20 meter en stuurde de sensoren ongeveer 100 meter over een nabijgelegen parkeerterrein. (Zie de video hieronder).

'Dit is slechts de eerste stap,' zei Iyer. 'Er zijn zoveel andere richtingen die we nu op kunnen gaan — zoals het ontwikkelen van grotere-schaal implementaties, het creëren van apparaten die van vorm kunnen veranderen tijdens het vallen, of zelfs het toevoegen van wat meer mobiliteit zodat de apparaten zich op de grond kunnen verplaatsen om dichter bij een gebied te komen waar we nieuwsgierig naar zijn.'

In een korte Q&A met Tech Briefs hieronder, praat Iyer meer over de voor- en nadelen van het uitzenden van sensoren 'zaad'-stijl.

Tech Briefs: Wat inspireerde de keuze om de madeliefjes na te bootsen? (Het idee van, soort van, sensoren willekeurig verspreiden voelt licht counter-intuitief voor mij!)

Prof. Vikram Ayer: Als we kijken naar een madeliefjeszaad vanuit een engineering-perspectief, heeft het nogal verbluffende capaciteiten. Deze kleine plantjes kunnen zichzelf niet eens bewegen, maar ze hebben geëvolueerd om hun zaden tot wel een kilometer te disperseren in de juiste omstandigheden. Dit is precies wat we willen doen voor het automatiseren van de implementatie van draadloze sensornetwerken. Als we sensorenmetingen willen doen over een echt groot geografisch gebied voor milieu-monitoring voor landbouw of klimaatverandering studies, kan dit erg tijdrovend en duur zijn, of zelfs gevaarlijk in sommige afgelegen locaties. In dit werk kijken we in plaats daarvan naar madeliefjeszaden voor inspiratie om dit proces te automatiseren door sensoren te creëren die in de wind kunnen disperseren.

Tech Briefs: Hoeveel kan het dispersiepad van de sensor gecontroleerd worden? Wat zijn de voor- en nadelen van het uitsturen van de sensor 'Zaden' wat willekeurig?

Prof. Vikram Ayer: Om goede dekking over een gebied te krijgen, kijken we weer naar de natuur. Planten kunnen niet garanderen dat waar ze dit jaar gegroeid zijn, volgend jaar goed zal zijn, en de natuurlijke variatie tussen zaden zorgt ervoor dat er somen verder reizen om hun kansen te spreiden. We nemen dezelfde benadering en ontwerpen een heel array van verschillende structuren die voor verschillende tijdsduren in de lucht zweven. Dit betekent dat zelfs in dezelfde windomstandigheden we ervoor kunnen zorgen dat er sommige dichterbij landen en andere verder reizen om uniforme dekking over een gebied te krijgen. Als volgende stap verkennen we manieren om de vorm van deze structuren mid-vlucht te veranderen om nog fijner graad controle te krijgen.

Tech Briefs: Zou het niet belangrijk zijn om de locatie van elke sensor te weten? Hoe zou dat gedaan kunnen worden?

Prof. Vikram Ayer: We kunnen het ontwerp van de sensoren variëren om uniforme dekking over een gebied te krijgen. We hebben ook meerdere technieken voor draadloze lokalisatie getoond die we eerder gebruikten om hommelbijen , moordhornetjes , en kleine objecten rond het huis of in een ziekenhuis  te tracken die we hopen te integreren met dit platform. We kunnen dit doen door te kijken naar dingen zoals de draadloze signaalsterkte en het vergelijken van de signalen die we op meerdere antennes krijgen om de hoek naar de sensor te bepalen en de positie te trianguleren.

Tech Briefs: Voor backscatter, waar zou het getransmitteerde signaal vandaan komen? Moet elke sensor apart geïnterrogeerd worden?

Prof. Vikram Ayer: Om het signaal te transmitteren en de data terug te lezen bouwen we een toegangspunt met een radiozender en -ontvanger, vergelijkbaar met een Wi-Fi router. Een van de coole dingen aan dit werk is dat we tonen dat een enkel toegangspunt kan communiceren met een van onze sensoren tot 60m afstand, en we tonen dit met experimenten met toegangspunten op de grond die communiceren over een voetbalveld. We kunnen ook een drone gebruiken om deze zelfde opzet te dragen om de data te lezen, of een hybride opzet met stations op de grond en drones afhankelijk van het implementatiescenario. We verkennen meerdere strategieën om met veel sensoren te communiceren, bijvoorbeeld door te benutten dat ze energy harvesting zijn en op verschillende tijden opstarten, en ook tijdsvertragingen toevoegen om ervoor te zorgen dat hun transmissies niet interfereren. We kunnen ook ons eerdere werk over backscatter protocollen  integreren die kunnen opschalen om veel apparaten te ondersteunen voor verbeterde prestaties in toekomstige versies.

Tech Briefs: Voor welke toepassingen is deze capaciteit het meest waardevol?

Prof. Vikram Ayer: Deze technologie kan nuttig zijn voor allerlei milieu-monitoring toepassingen waar u sensoren over een groot gebied wilt spreiden. Bijvoorbeeld voor precisielandbouw, milieu-monitoring voor klimaatverandering vooral afgelegen, moeilijk bereikbare gebieden zoals bossen en gletsjers. Een ander belangrijk deel van dit werk is dat we tonen hoe we deze kleine, draadloze computing en sensoring apparaten met programmeerbare, general-purpose computing apparaten kunnen ontwerpen. Dit stelt iedereen met een computerwetenschappelijke of engineering-achtergrond in staat om op ons systeem te bouwen en de kern computing en sensoring platform te customiseren voor andere toepassingen zoals draagbare sensoren, medische implants en microrobots.

Tech Briefs: Hoe was het om dit te testen, en wat was het meest memorabele toen u dit testte?

Prof. Vikram Ayer: Een van de echt coole features van het nabootsen van het ontwerp van een madeliefjeszaad is dat het altijd met dezelfde kant naar boven valt. Zelfs als je het omgekeerd dropt, kun je zien dat het in mid-air omkeert om zichzelf te corrigeren. Dit is eigenlijk heel belangrijk voor ons ontwerp omdat het ervoor zorgt dat onze zonnecellen naar boven gericht zijn en zonlicht kunnen verzamelen om onze batterijvrije sensor te voeden.

Tech Briefs: Wat is de volgende stap?

Prof. Vikram Ayer: Naast de bovenstaande dingen zoals het ontwerpen van manieren om de vorm van de structuur te veranderen tijdens het vallen, draadloos lokaliseren, en dingen verkennen zoals biologisch afbreekbare materialen om deze apparaten duurzamer te maken en te voorkomen dat ze het milieu verontreinigen, is dit werk onderdeel van ons bredere visie van het creëren van het Internet of bio-inspired and biological things. Specifiek, er is een tamelijk grote kloof tussen biologische systemen en de mogelijkheden van huidige IoT en embedded systemen, die veel groter en zwaarder zijn en zich meestal niet kunnen bewegen. Stel je voor, als we kleine batterijvrije draadloze apparaten kunnen creëren die zich kunnen verplaatsen, en in feite in de lucht kunnen zweven vergelijkbaar met madeliefjeszaden. Als we dat kunnen doen, kunnen we honderden sensoren in de wind in afgelegen, moeilijk bereikbare gebieden zoals bossen, gletsjers implementeren. Of als we draadloze sensoren creëren die zo klein zijn , dan kunnen we ze ook aan kleine insecten zoals bijen, kevers en moordhornetjes  bevestigen en dan kunnen we deze sensoren gebruiken om hun gedrag in het wild te bestuderen. Als we een stap verder kunnen gaan om actuatoren te integreren met deze draadloze sensoren, kunnen we ze in staat stellen zich vrij te verplaatsen en insect-schaal robots te bouwen .

Wat denkt u? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.

Ook: Lees onze "5 Ws" over het madeliefjes-geïnspireerde bereik.

Leer over 5 High-Tech Materials That Sense and Detect