Czujniki bezprzewodowe mogą monitorować zmiany temperatury, wilgotności lub inne warunki środowiskowe na dużych połaciach ziemi, takich jak farmy lub lasy.
Narzędzia te mogą dostarczyć unikalnych informacji dla różnych zastosowań, w tym rolnictwa cyfrowego i monitorowania zmian klimatycznych. Jednym z problemów jest jednak to, że obecnie fizycznie rozmieszczenie setek czujników na dużym obszarze jest czasochłonne i kosztowne.
Zainspirowany sposobem, w jaki mniszek lekarski wykorzystuje wiatr do rozprowadzania nasion, zespół z Uniwersytetu Waszyngtońskiego opracował maleńkie urządzenie z czujnikami, które może być zdmuchiwane przez wiatr, gdy spada na ziemię. Ten system jest około 30 razy cięższy od 1 miligramowego nasiona mniszka lekarskiego, ale nadal może podróżować do 100 metrów przy umiarkowanym wietrze, mniej więcej na długość boiska piłkarskiego, skąd został wypuszczony przez drona. Po wejściu na ziemię urządzenie, które może pomieścić co najmniej cztery czujniki, wykorzystuje panele słoneczne do zasilania elektroniki pokładowej i może udostępniać dane z czujników do 60 metrów.
Zespół opublikował te wyniki 16 marca w Nature.
„Pokazujemy, że można używać gotowych komponentów do tworzenia drobnych rzeczy. Nasz prototyp sugeruje, że można użyć drona do wypuszczenia tysięcy takich urządzeń w jednej kropli. Wszystkie będą niesione przez wiatr trochę inaczej i zasadniczo można stworzyć sieć na 1000 urządzeń za pomocą tej jednej kropli” – powiedział starszy autor Shyam Gollakota, profesor UW w Szkole Informatyki i Inżynierii im. Paula G. Allena. „To niesamowite i przełomowe rozwiązanie w dziedzinie rozmieszczania czujników, ponieważ w tej chwili ręczne rozmieszczenie tak wielu czujników może zająć miesiące”.
Ponieważ urządzenia mają na pokładzie elektronikę, trudno jest sprawić, by cały system był tak lekki jak prawdziwe nasionko mniszka lekarskiego. Pierwszym krokiem było opracowanie kształtu, który pozwoliłby systemowi nie spieszyć się ze spadnięciem na ziemię, aby mógł być miotany przez wiatr. Naukowcy przetestowali 75 projektów, aby określić, co doprowadziłoby do najmniejszej „prędkości końcowej” lub maksymalnej prędkości, jaką urządzenie miałoby, gdy spadło w powietrze.
„Sposób działania struktur nasiennych mniszka polega na tym, że mają one centralny punkt i te małe włosie wystające, aby spowolnić ich upadek. Wzięliśmy projekcję 2D, aby stworzyć podstawowy projekt dla naszych struktur” – powiedział główny autor Vikram Iyer, Adiunkt UW w Allen School. „Gdy dodaliśmy wagi, nasze włosie zaczęło wyginać się do wewnątrz. Dodaliśmy strukturę pierścieniową, aby była sztywniejsza i zajmowała więcej miejsca, aby spowolnić”.
Aby zapewnić lekkość, zespół do zasilania elektroniki zamiast ciężkiej baterii użył paneli słonecznych. Urządzenia wylądowały z panelami słonecznymi skierowanymi pionowo w 95% przypadków. Ich kształt i struktura pozwalają im przewracać się i opadać w konsekwentnie wyprostowanej pozycji, podobnej do nasion mniszka lekarskiego.
Jednak bez baterii system nie może przechowywać ładunku, co oznacza, że po zachodzie słońca czujniki przestają działać. A kiedy następnego ranka wzejdzie słońce, system potrzebuje trochę energii, aby zacząć.
„Wyzwanie polega na tym, że większość żetonów będzie pobierać nieco więcej mocy przez krótki czas, gdy włączysz je po raz pierwszy”, powiedział Iyer. „Sprawdzą, czy wszystko działa poprawnie, zanim zaczną wykonywać napisany przez Ciebie kod. Dzieje się tak, gdy włączasz telefon lub laptopa, ale oczywiście mają baterię”.
Zespół zaprojektował elektronikę tak, aby zawierała kondensator — urządzenie, które może przechowywać część ładunku przez noc.
„Wtedy mamy ten mały obwód, który mierzy, ile energii zgromadziliśmy, a gdy słońce wzejdzie i dostanie się więcej energii, uruchomi resztę systemu, ponieważ wyczuwa to jest powyżej pewnego progu – powiedział Iyer.
Urządzenia te wykorzystują rozpraszanie wsteczne, metodę polegającą na wysyłaniu informacji poprzez odbijanie przesyłanych sygnałów, aby bezprzewodowo wysyłać dane z czujników z powrotem do naukowców. Urządzenia wyposażone w czujniki — mierzące temperaturę, wilgotność, ciśnienie i światło — wysyłały dane aż do zachodu słońca, kiedy się wyłączyły. Zbieranie danych zostało wznowione, gdy urządzenia włączyły się ponownie następnego ranka.
Aby zmierzyć odległość, na jaką urządzenia będą się przemieszczać na wietrze, naukowcy zrzucili je z różnych wysokości, ręcznie lub za pomocą drona na terenie kampusu. Naukowcy twierdzą, że jednym ze sposobów na rozłożenie urządzeń z jednego punktu zrzutu jest nieznaczne zróżnicowanie ich kształtów, aby były niesione przez wiatr w inny sposób.
„To naśladowanie biologii, w której zmienność jest w rzeczywistości cechą, a nie błędem” – powiedział współautor Thomas Daniel, profesor biologii na UW. „Rośliny nie mogą zagwarantować, że miejsce, w którym dorastały w tym roku, będzie dobre w przyszłym, więc mają trochę nasion, które mogą podróżować dalej, aby zabezpieczyć swoje zakłady”.
Kolejną zaletą systemu bez baterii jest to, że w tym urządzeniu nie ma niczego, z czego nie zabraknie energii — urządzenie będzie działać, dopóki fizycznie się nie zepsuje. Jedną z wad jest to, że elektronika będzie rozproszona po całym interesującym ekosystemie. Naukowcy badają, jak sprawić, by te systemy były bardziej biodegradowalne.
„To dopiero pierwszy krok, dlatego jest tak ekscytujący” – powiedział Iyer. „Jest tak wiele innych kierunków, które możemy teraz obrać – takich jak opracowywanie wdrożeń na większą skalę, tworzenie urządzeń, które mogą zmieniać kształt podczas upadku, a nawet dodawanie większej mobilności, aby urządzenia mogły się poruszać, gdy znajdą się na ziemi aby zbliżyć się do obszaru, który nas interesuje”.
Współautorem jest również Hans Gaensbauer, który ukończył te badania jako student na UW na kierunku inżynieria elektryczna i komputerowa, a obecnie jest inżynierem w Gridware. Badania te zostały sfinansowane przez nagrodę Moore Inventor Fellow, National Science Foundation oraz grant Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych USA.