威斯康辛大学新闻

2022年3月16日,

没有电池的小设备像蒲公英的种子一样漂浮在风中

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镊子夹着一个圆形的装置,上面有太阳能电池板. 它在黑色的背景下被照亮.

这款无电池设备使用太阳能电池板(如图所示的黑色矩形)为其车载电子设备供电.马克·斯通/凤凰彩票官网

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, 目前在一个大范围内放置数百个传感器是非常耗时和昂贵的吗.

灵感来自蒲公英如何利用风来散播种子, 凤凰彩票官网的一个研究小组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,但仍然可以在微风中飞行100米, 大约一个足球场的长度, 在无人机释放的地方. 一旦落地, 该设备, 哪个至少能装下四个传感器, 使用太阳能电池板为其机载电子设备供电,并能在60米远的地方共享传感器数据.

这个团队 这些结果发表 3月16日《凤凰彩票官网》杂志.

“凤凰彩票平台APP下载展示了你可以使用现成的组件来创建微小的东西. 凤凰彩票平台APP下载的原型表明,你可以用一架无人机在一次投放中释放数千个这样的设备. 它们被风吹走的方式会有所不同, 基本上你可以创建一个1,000个设备的网络,就这么一点,资深作者说 Shyam Gollakota他是凤凰彩票官网保罗克. 艾伦计算机科学学院 & 工程. “对于部署传感器领域来说,这是惊人的和革命性的, 因为现在手动部署这么多传感器可能需要几个月的时间.”

因为设备上有电子设备, 要使整个系统像真正的蒲公英种子一样轻是一个挑战. 第一步是设计出一种形状,使该系统能够在降落到地面的时间内被微风吹动. 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”,或者一个装置在空中落下时的最大速度.

“蒲公英种子结构的工作方式是,它们有一个中心点,这些小茸毛伸出来减缓它们的下落. 凤凰彩票平台APP下载对其进行了二维投影,以创建凤凰彩票平台APP下载结构的基础设计,”主要作者说 Vikram艾耶他是凤凰彩票官网艾伦学院的助理教授. “当凤凰彩票平台APP下载增加重量时,凤凰彩票平台APP下载的刷毛开始向内弯曲. 凤凰彩票平台APP下载增加了一个环形结构,使其更硬,并占用更多的面积,以帮助减缓其速度.”

小的圆形装置散布在桌面上. 其中一个中间有黑色的太阳能电池板

研究人员测试了75种设计,其中一些用黄色表示.马克·斯通/凤凰彩票官网

为了保持重量,该团队使用太阳能电池板而不是沉重的电池来为电子设备供电. 这些设备着陆时,太阳能电池板95%的时间是垂直的. 它们的形状和结构使它们能够翻转,并以一种类似蒲公英种子的垂直方向下落.

没有电池, 然而, 系统不能存储电荷, 也就是说太阳下山后, 传感器停止工作. 然后当第二天早上太阳升起时,系统需要一点能量来启动.

“挑战在于,当你第一次打开芯片时,大多数芯片会在短时间内略微增加功耗,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工作正常. 当你打开手机或笔记本电脑时,也会发生这种情况,但它们当然有电池.”

该团队设计了包含电容器的电子设备, 一种可以在一夜之间储存一些电量的设备.

“然后凤凰彩票平台APP下载用这个小电路来测量凤凰彩票平台APP下载储存了多少能量, 一旦太阳升起,就会有更多的能量进来, 它会触发系统的其他部分打开因为它感觉到它超过了某个阈值,艾耶说:.

一只手握着镊子里的微型电路. 该电路是由柔性衬底上的多个黑匣子组成的. 用镊子夹住电路以强调电路的灵活性.

该设备的机载电子设备包括传感器, 一个电容用来储存过夜的电荷和一个微控制器来运行系统, 全部包含在一个柔性电路中, 这里显示.马克·斯通/凤凰彩票官网

这些设备使用反向散射, 一种通过反射发射的信号来发送信息的方法, 将传感器数据无线发回给研究人员. 携带传感器的设备——测量温度, 湿度, 压力和光线发送数据,直到日落时才关闭. 第二天早上,当设备恢复正常运行时,数据收集又开始了.

来测量这些设备在风中移动的距离, 研究人员将它们从不同的高度扔下, 要么用手,要么在凤凰彩票平台APP下载里用无人机. 一个技巧就是把设备从一个投放点分散开来, 研究人员说, 是稍微改变它们的形状,让它们被风吹得不一样吗.

“这是模仿生物学, 变异实际上是一种特征吗, 而不是一个bug,”作者说 托马斯·丹尼尔他是凤凰彩票官网生物学教授. “植物不能保证今年生长的地方明年会好, 所以他们有一些种子可以传播到更远的地方来对冲他们的赌注.”

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——设备会一直运行,直到物理故障. 这样做的一个缺点是,电子产品将分散在利益的生态系统中. 研究人员正在研究如何使这些系统更加可生物降解.

欲了解更多信息,请访问 团队的网站,或参阅相关报道 《凤凰彩票官网》GeekWire.

Iyer说:“这只是第一步,这就是为什么它如此令人兴奋。. “凤凰彩票平台APP下载现在有很多其他方向可以选择,比如发展大规模部署, 发明可以在下落时改变形状的装置, 或者甚至增加更多的移动性,这样设备就可以在地面上移动,接近凤凰彩票平台APP下载感兴趣的区域.”

汉斯Gaensbauer, 谁在凤凰彩票官网主修电子和计算机工程时完成了这项研究,现在是Gridware的一名工程师, 也是作者之一. 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(u.s..S. 空军科研办公室.

欲了解更多信息,请联系 d和elions@cs.凤凰彩票官网.edu.

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