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2022年3月16日

微小的无电池设备像蒲公英种子一样漂浮在风中

无线传感器可以监测温度, 湿度或其他环境条件在大片土地上各不相同, 比如农场或森林.

这些工具可以为各种应用程序提供独特的见解, 包括数字农业和监测气候变化. 一个问题, 然而, 目前在大片区域内物理放置数百个传感器是否费时且昂贵.

灵感来自蒲公英如何利用风传播种子, 银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome的一个团队开发了一种携带传感器的微型设备，当它向地面翻滚时，可以被风吹走. 这个系统的重量大约是1毫克蒲公英种子的30倍，但仍然可以在适度的微风中飞行100米, 大概有一个足球场那么长, 在那里被无人机释放. 一到地面, 该设备, 哪个能容纳至少四个传感器, 它使用太阳能电池板为车载电子设备供电，并可以在60米外共享传感器数据.

这个团队 发表了这些结果 3月16日《自然》.

“银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome证明，你可以使用现成的组件来创造微小的东西. 银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome的原型表明，你可以使用无人机在一次掉落中释放数千个这样的设备. 它们被风吹走的方式都有点不同, 基本上你可以得到一个1,有上千个设备的网络,资深作者说道 Shyam Gollakota他是银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome保罗克. 艾伦计算机科学学院 & 工程. “这对于传感器部署领域来说是惊人的，也是革命性的, 因为现在手动部署这么多传感器可能需要几个月.”

因为这些设备上有电子设备, 让整个系统像蒲公英种子一样轻是一项挑战. 第一步是开发一种形状，使系统能够慢慢地落到地面，这样它就可以被微风吹来吹去. 研究人员测试了75种设计，以确定什么会导致最小的“终端速度”,，也就是设备在空中坠落时的最大速度.

“蒲公英种子结构的工作方式是，它们有一个中心点，这些小刚毛伸出来减缓它们的下落. 银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome用它的2D投影来创建银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome结构的基础设计。 Vikram艾耶他是银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome艾伦学院的助理教授. “当银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome增加重量时，银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome的鬃毛开始向内弯曲. 银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome增加了一个环形结构，使其更加坚硬，并占用更多的面积，以帮助减缓它.”

为了保持重量轻，该团队使用太阳能电池板而不是笨重的电池来为电子设备供电. 在95%的情况下，这些设备落地时太阳能电池板都是直立的. 它们的形状和结构允许它们翻转并以一种类似蒲公英种子的垂直方向落下.

没有电池, 然而, 系统不能储存电荷, 也就是说太阳下山之后, 传感器停止工作. 然后当第二天早上太阳升起时，系统需要一些能量来启动.

“挑战在于，大多数芯片在你第一次开机时，会在短时间内消耗略多的电量,艾耶说. “在开始执行你写的代码之前，他们会检查确保一切都正常工作. 当你打开手机或笔记本电脑时，也会发生这种情况，但当然它们有电池.”

该团队设计的电子设备包括一个电容器, 一种可以整夜储存一些电荷的装置.

“然后银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome有一个小电路，可以测量银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome储存了多少能量, 一旦太阳升起，就会有更多的能量进来, 它会触发系统的其余部分打开，因为它感觉到了它超过了某个阈值,艾耶说.

这些设备使用反向散射, 一种通过反射传输信号来发送信息的方法, 无线发送传感器数据给研究人员. 携带传感器的设备-测量温度, 湿度, 压力和光发送数据，直到日落时它们关闭. 第二天早上，设备自动开机后，数据收集工作恢复.

来测量这些设备在风中移动的距离, 研究人员从不同的高度将它们抛下, 无论是手动还是无人机在银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome内. 一个诀窍就是把设备从一个点分散开, 研究人员说, 就是稍微改变它们的形状，让它们被微风吹得不同.

“这是在模仿生物学, 变异实际上是一个特征, 而不是一个bug,合著者说 托马斯·丹尼尔他是银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome的生物学教授. “植物不能保证它们今年生长的地方明年也会很好, 所以他们有一些种子可以传播到更远的地方来对冲风险.”

无电池系统的另一个好处是，这个设备上没有任何东西会耗尽电量——设备会一直工作，直到物理故障. 这样做的一个缺点是电子产品将分散在感兴趣的生态系统中. 研究人员正在研究如何使这些系统更具可生物降解性.

“这只是第一步，这就是为什么它如此令人兴奋，”Iyer说. “银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome现在有很多其他方向可以选择，比如开发更大规模的部署, 创造可以在下落时改变形状的设备, 或者甚至增加一些更强的移动性，这样一旦它们在地面上，就可以移动，更接近银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome感兴趣的区域.”

汉斯Gaensbauer, 他在银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome主修电气和计算机工程时完成了这项研究，现在是Gridware的工程师, 也是合著者之一. 这项研究是由 摩尔发明家奖美国国家科学基金会(National 科学 Foundation)和美国国家科学基金会(us.S. 空军科学研究办公室.

如需更多信息，请联系 d而且elions@cs.银河国际galaxy_welcome银河国际网站-银河国际galaxy(澳门)welcome.edu.

奖项编号:#10617,FA9550-14-1-0398

标签: 艺术学院 & 科学 • 工程学院 • 生物学系 • 保罗克. 艾伦计算机科学学院 & 工程 • Shyam Gollakota • 汤姆丹尼尔 • Vikram艾耶

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