靈感來源于蒲公英研發(fā)微型無線傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境

蒲公英只需要風(fēng)輕輕吹過，就可將種子通過這種自然的方式實(shí)現(xiàn)傳播。

基于蒲公英播種的原理，美國華盛頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款微型傳感器裝置，當(dāng)傳感器在地面翻動(dòng)時(shí)，便可像蒲公英那樣被風(fēng)吹走。

而且，維持這種傳感器的能量并不需要電池，而是依靠太陽能。它們可被應(yīng)用在數(shù)字農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，例如土地的溫度、濕度等。

2022年3月16日，相關(guān)論文以《風(fēng)力分散的無電池?zé)o線設(shè)備》為題發(fā)表。

然而，監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的一個(gè)實(shí)際的問題是，監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域范圍廣、面積大，如果想實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的變化，至少需要數(shù)百個(gè)傳感器。由風(fēng)執(zhí)行“部署”傳感器的任務(wù)，對(duì)人們來說，不僅節(jié)省了大量的時(shí)間還有人力資源、費(fèi)用等。

該論文通訊作者、華盛頓大學(xué)保羅艾倫計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院希亞姆·戈拉科塔教授對(duì)媒體表示，“這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于部署傳感器領(lǐng)域，是驚人的和變革性的。因?yàn)楝F(xiàn)在手動(dòng)部署這么多傳感器， 可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。”

為確定這種傳感器在風(fēng)中傳播的實(shí)地距離，研究人員做了專項(xiàng)測(cè)試，他們將傳感器從不同的高度，手動(dòng)或通過無人機(jī)扔下。

該微型傳感器系統(tǒng)的約1毫克左右重量，根據(jù)研究人員測(cè)試，該系統(tǒng)在微風(fēng)中可“傳播”的距離為50米～100米。當(dāng)該設(shè)備經(jīng)風(fēng)傳播落地后，其可以容納4個(gè)及以上數(shù)量的傳感器， 使用太陽能電池為其車載電子設(shè)備供電。并且，還可以對(duì)60米以內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)共享。

研究人員表示，從設(shè)計(jì)的角度來看這個(gè)傳感器，保障它從落點(diǎn)展開設(shè)備的關(guān)鍵在于傳感器的形狀，以便它們能從各種角度都可被微風(fēng)攜帶。

實(shí)際上，這種設(shè)計(jì)原理也和蒲公英種子傳播類似。蒲公英在播種時(shí)，為確保植物長期在適宜的環(huán)境生長，因此它們具有不同形狀，來實(shí)現(xiàn)達(dá)到被帶到更遠(yuǎn)地方的目標(biāo)。

這種設(shè)備的設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)，尤其是傳感器既要具備電子功能，又必須保證可以像蒲公英那樣質(zhì)量輕盈，以利于在風(fēng)中傳播。為保證傳感器各方面可實(shí)現(xiàn)最佳性能，該團(tuán)隊(duì)嘗試設(shè)計(jì)最適宜的傳感器形狀，并嘗試了75種不同的方案。

“蒲公英種子結(jié)構(gòu)的工作方式是它們有一個(gè)中心點(diǎn)， 這些小刷毛伸出來減緩它們的下落。我們對(duì)其進(jìn)行了二維投影，為我們的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。”該論文第一作者、華盛頓大學(xué)艾倫學(xué)院的助理教授維克拉姆·艾耶說。

他補(bǔ)充說道：“當(dāng)我們?cè)黾又亓繒r(shí)，刷毛開始向內(nèi)彎曲。我們添加了一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，使其更硬，并占用更多的面積來幫助減慢它的速度。”

為了使傳感器的質(zhì)量更輕，研究人員放棄了傳統(tǒng)的電池，而采用太陽能電池板為電子設(shè)備輸送電源。根據(jù)研究人員觀察，這些傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)與蒲公英種子的特性一致，在絕大多數(shù)的時(shí)間（95%），太陽能電池板能和蒲公英的傳播類似，保持直立翻轉(zhuǎn)以及落地。

既然是依靠太陽能供電，那么這種傳感器的供電的條件也是科學(xué)家們必須考慮的限制條件。系統(tǒng)的再次啟動(dòng)需要電能供應(yīng)，考慮到?jīng)]有太陽的天氣或者太陽下山后的情況，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)電容器設(shè)備，用來在夜間或太陽能儲(chǔ)能條件不加的情況儲(chǔ)備電能。

該設(shè)備在監(jiān)測(cè)到環(huán)境的變化數(shù)值后，通過反向散射將這些數(shù)據(jù)，用無線的方式將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖芯咳藛T。數(shù)據(jù)包括但不限于：測(cè)量溫度、濕度、壓力和光線等。

由于該設(shè)備依靠太陽能，因此太陽能相當(dāng)于它工作的“開關(guān)”，當(dāng)太陽落山或者太陽能量微弱時(shí)，該設(shè)備停止工作;而當(dāng)具備太陽能時(shí)，該設(shè)備會(huì)再次啟動(dòng)，繼續(xù)數(shù)據(jù)收集工作。

該傳感器系統(tǒng)不采用傳統(tǒng)電池的另一優(yōu)勢(shì)是，該設(shè)備沒有任何東西會(huì)耗盡電量。也就是說，除非它產(chǎn)生物理故障，否則會(huì)一直運(yùn)行。為此，研究人員也在加速探索，利于這些傳感器可生物降解的科學(xué)途徑。

艾耶表示，“我們現(xiàn)在可以采取許多其他方向，例如開發(fā)更大規(guī)模的部署，創(chuàng)建可以在墜落時(shí)改變形狀的設(shè)備，甚至增加一些移動(dòng)性，以便設(shè)備一旦在地面上就可以移動(dòng)以靠近我們的目標(biāo)區(qū)域。”FBC2009E-736C-4A8F-9AB5-D0133C0EF8E2