Drijvende sensoren verspreiden zich als paardenbloemzaden

Paardebloemen zijn geëvolueerd om hun zaden meer dan een kilometer in de lucht te verspreiden.

Onderzoekers van de Universiteit van Washington willen sensoren die afstand geven, op een manier die landbouw- en milieumonitoringtoepassingen ondersteunt.

Meestal is het niet het beste idee om waardevolle draadloze sensoren van grote hoogte te laten vallen. Onder leiding van professoren Shyam Gollakota en Vikram Ayer deed het team van UW echter precies dat, door een klein sensordragend apparaat te creëren dat door de wind kan worden weggeblazen terwijl het naar de grond tuimelt.

Net als paardenbloemzaden zweven de sensoren in de wind. Het apparaat, ongeveer 30 keer zo zwaar als een paardenbloemzaadje van 1 milligram, kan op een winderige dag tot 100 meter reizen.

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

"De manier waarop de zaadstructuren van paardenbloem werken, is dat ze een centraal punt hebben en dat deze kleine borstelharen uitsteken om hun val te vertragen. We hebben daarvan een 2D-projectie gemaakt om het basisontwerp voor onze structuren te maken”, zegt hoofdauteur Vikram Iyer, een UW-assistent-professor aan de Allen School . "Terwijl we gewicht toevoegden, begonnen onze borstelharen naar binnen te buigen. We hebben een ringstructuur toegevoegd om het stijver te maken en meer ruimte in te nemen om het te vertragen."

Met lasermicrobewerking konden Iyer en het team verschillende patronen en maten testen.

Sensorgegevens zoals temperatuur, vochtigheid, druk en licht kunnen worden gedeeld vanaf een afstand van 60 meter. De ingenieurs ontwierpen de lichtgewicht, flexibele circuits en elektronica met een condensator, een apparaat dat 's nachts wat lading opslaat.

Tijdens een test liet een drone sensoren van een hoogte van 20 meter vallen en stuurde de sensoren ongeveer 100 meter over een nabijgelegen parkeerplaats. (Bekijk de video hieronder).

"Dit is nog maar de eerste stap", zei Iyer. "Er zijn zoveel andere richtingen die we nu kunnen nemen, zoals het ontwikkelen van grootschalige implementaties, het maken van apparaten die van vorm kunnen veranderen als ze vallen, of zelfs wat meer mobiliteit toevoegen zodat de apparaten kunnen bewegen zodra ze op de grond zijn dichter bij een gebied komen waar we nieuwsgierig naar zijn."

In een korte Q&A met Tech Briefs hieronder vertelt Iyer meer over de voor- en nadelen van het verzenden van sensoren, in seed-stijl.

Tech Briefs :Wat inspireerde de keuze om de paardenbloem te imiteren? (Het idee van een soort van scatter-schietende sensoren voelt enigszins contra-intuïtief voor mij!)

Prof. Vikram Ayer :Als we vanuit een technisch perspectief nadenken over een paardenbloemzaadje, heeft het een aantal behoorlijk verbazingwekkende mogelijkheden. Deze kleine plantjes kunnen niet eens bewegen, maar ze zijn zo geëvolueerd dat ze onder de juiste omstandigheden hun zaden tot wel een kilometer kunnen laten verspreiden. Dit is precies wat we willen doen voor het automatiseren van de implementatie van draadloze sensornetwerken. Als we sensormetingen willen doen over een heel groot geografisch gebied om milieumonitoring te doen voor landbouw- of klimaatveranderingsstudies, kan dit erg tijdrovend en duur zijn, of zelfs gevaarlijk op sommige afgelegen locaties. In dit werk kijken we in plaats daarvan naar paardenbloemzaden voor inspiratie om dit proces te automatiseren door sensoren te maken die zich in de wind kunnen verspreiden.

Tech Briefs :In hoeverre kan het verspreidingspad van de sensor worden gecontroleerd? Wat zijn de voor- en nadelen van het enigszins willekeurig verzenden van de sensor "Seeds"?

Prof. Vikram Ayer :Om over een gebied een goede dekking te krijgen, kijken we eigenlijk weer naar de natuur. Planten kunnen niet garanderen dat waar ze dit jaar zijn opgegroeid, volgend jaar goed zal zijn, en de natuurlijke variatie tussen zaden stelt sommigen in staat verder weg te reizen om hun weddenschappen af ​​te dekken. We hanteren dezelfde aanpak en ontwerpen een hele reeks verschillende structuren die gedurende verschillende tijdsperioden in de lucht zweven. Dit betekent dat we er zelfs bij dezelfde windomstandigheden voor kunnen zorgen dat sommigen dichterbij landen en anderen verder reizen om een ​​uniforme dekking over een gebied te krijgen. Als volgende stap onderzoeken we manieren waarop we de vorm van deze structuren halverwege de vlucht kunnen veranderen om een ​​nog fijnere controle te krijgen.

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

Prof. Vikram Ayer :We kunnen het ontwerp van de sensoren variëren om een ​​uniforme dekking over een gebied te krijgen. We hebben ook meerdere technieken voor draadloze lokalisatie laten zien die we eerder hebben gebruikt om hommels te volgen , moordhorzels , en kleine voorwerpen rond het huis of in een ziekenhuis die we hopen te integreren met dit platform. We kunnen dit doen door te kijken naar zaken als de sterkte van het draadloze signaal en de signalen die we op meerdere antennes krijgen te vergelijken om de hoek met de sensor te bepalen en de positie ervan te trianguleren.

Tech Briefs :Voor terugverstrooiing, waar zou het verzonden signaal vandaan komen? Moet elke sensor afzonderlijk worden ondervraagd?

Prof. Vikram Ayer :Om het signaal door te geven en de data terug te lezen bouwen we een access point met een radiozender en -ontvanger, vergelijkbaar met een wifi-router. Een van de leuke dingen van dit werk is dat we laten zien dat een enkel toegangspunt kan communiceren met een van onze sensoren tot 60 meter afstand, en we laten dit zien met experimenten met toegangspunten op de grond die communiceren over een voetbalveld. We kunnen ook een drone gebruiken om dezelfde opstelling te dragen om de gegevens te lezen, of een hybride opstelling gebruiken met stations op de grond en drones, afhankelijk van het inzetscenario. We onderzoeken meerdere strategieën om met veel sensoren te communiceren, bijvoorbeeld door gebruik te maken van het feit dat ze stroom verbruiken en op verschillende tijdstippen opstarten, en ook door tijdvertragingen toe te voegen om ervoor te zorgen dat hun transmissies niet interfereren. We kunnen ook ons ​​eerdere werk aan backscatter-protocollen integreren die kan worden opgeschaald om veel apparaten te ondersteunen voor betere prestaties in toekomstige versies

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

Prof. Vikram Ayer :Deze technologie kan nuttig zijn voor allerlei toepassingen voor omgevingsmonitoring waarbij u sensoren over een groot gebied wilt verspreiden. Bijvoorbeeld voor precisielandbouw, milieumonitoring voor klimaatverandering, met name afgelegen, moeilijk bereikbare gebieden zoals bossen en gletsjers. Een ander belangrijk onderdeel van dit werk is dat we laten zien hoe we deze kleine, draadloze computer- en sensorapparaten kunnen ontwerpen met programmeerbare computerapparaten voor algemeen gebruik. Hierdoor kan iedereen met een computerwetenschappelijke of technische achtergrond op ons systeem voortbouwen en het kerncomputer- en detectieplatform aanpassen voor andere toepassingen zoals draagbare sensoren, medische implantaten en microrobots.

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

Prof. Vikram Ayer :Een van de echt coole kenmerken van het nabootsen van het ontwerp van een paardenbloemzaadje is dat het altijd met dezelfde kant naar boven valt. Zelfs als je hem ondersteboven laat vallen, kun je hem in de lucht zien omdraaien 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 opvangen om onze batterijloze sensor van stroom te voorzien.

Tech Briefs :Wat nu?

Prof. Vikram Ayer :Naast de hierboven genoemde dingen, zoals het ontwerpen van manieren om de vorm van de structuur te veranderen als deze valt, deze draadloos te lokaliseren en dingen te onderzoeken zoals biologisch afbreekbare materialen om deze apparaten duurzamer te maken en te voorkomen dat ze het milieu vervuilen, maakt dit werk deel uit van van onze bredere visie om het internet van bio-geïnspireerde en biologische dingen te creëren. Er is met name een vrij grote kloof tussen biologische systemen en de mogelijkheden van de huidige IoT- en embedded systemen, die veel groter en zwaarder zijn en de meeste niet kunnen bewegen. Stel je in plaats daarvan voor dat we kleine batterijloze draadloze apparaten kunnen maken die kunnen bewegen en in feite in de lucht kunnen zweven, vergelijkbaar met paardenbloemzaden. Als we dat zouden kunnen doen, zouden we honderden sensoren in de wind kunnen plaatsen in afgelegen, moeilijk bereikbare gebieden zoals bossen en gletsjers. Of als we draadloze sensoren maken die zo klein zijn , dan kunnen we ze ook gaan hechten aan kleine insecten zoals bijen, kevers en moordhorzels 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 vrij te bewegen en robots op insectenschaal te bouwen .

Wat denk je? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.

Ook:Lees onze "5 W's" over de door paardenbloem geïnspireerde prestatie.

Meer informatie over 5 hightech materialen die voelen en detecteren