Drahtlose Sensoren können überwachen, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder andere Umweltbedingungen über große Landstriche wie Farmen oder Wälder variieren.
Diese Tools könnten einzigartige Erkenntnisse für eine Vielzahl von Anwendungen liefern, darunter die digitale Landwirtschaft und die Überwachung des Klimawandels. Ein Problem ist jedoch, dass es derzeit zeitaufwändig und teuer ist, Hunderte von Sensoren auf einer großen Fläche physisch zu platzieren.
Inspiriert davon, wie Löwenzahn den Wind nutzt, um seine Samen zu verteilen, hat ein Team der University of Washington ein winziges sensortragendes Gerät entwickelt, das vom Wind weggeblasen werden kann, wenn es auf den Boden fällt. Dieses System ist etwa 30-mal so schwer wie ein 1-Milligramm-Löwenzahnsamen, kann aber immer noch bis zu 100 Meter bei einer mäßigen Brise zurücklegen, etwa die Länge eines Fußballfelds, von wo aus es von einer Drohne freigesetzt wurde. Sobald das Gerät, das mindestens vier Sensoren aufnehmen kann, am Boden ist, verwendet es Sonnenkollektoren, um seine Bordelektronik mit Strom zu versorgen, und kann Sensordaten in einer Entfernung von bis zu 60 Metern austauschen.
Das Team veröffentlichte diese Ergebnisse 16. März in Natur.
„Wir zeigen, dass man aus handelsüblichen Komponenten winzige Dinge herstellen kann. Unser Prototyp schlägt vor, dass Sie eine Drohne verwenden könnten, um Tausende dieser Geräte in einem einzigen Tropfen freizugeben. Sie werden alle ein wenig anders vom Wind getragen, und im Grunde können Sie mit diesem einen Tropfen ein Netzwerk mit 1.000 Geräten erstellen“, sagte der leitende Autor Schyam Gollakota, ein UW-Professor an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. „Das ist erstaunlich und transformativ für den Bereich der Bereitstellung von Sensoren, denn im Moment könnte es Monate dauern, so viele Sensoren manuell bereitzustellen.“
Da die Geräte über Elektronik an Bord verfügen, ist es eine Herausforderung, das gesamte System so leicht wie einen echten Löwenzahnsamen zu machen. Der erste Schritt bestand darin, eine Form zu entwickeln, die es dem System ermöglicht, sich Zeit zu nehmen, um zu Boden zu fallen, damit es von einer Brise herumgeschleudert werden kann. Die Forscher testeten 75 Designs, um festzustellen, was zur kleinsten „Endgeschwindigkeit“ oder zur maximalen Geschwindigkeit führen würde, die ein Gerät haben würde, wenn es durch die Luft fällt.
„Löwenzahnsamenstrukturen funktionieren so, dass sie einen zentralen Punkt haben und diese kleinen Borsten herausragen, um ihren Fall zu verlangsamen. Wir haben eine 2D-Projektion davon erstellt, um das Basisdesign für unsere Strukturen zu erstellen“, sagte der Hauptautor Vikram Iyer, ein UW-Assistenzprofessor an der Allen School. „Als wir Gewicht hinzufügten, fingen unsere Borsten an, sich nach innen zu biegen. Wir haben eine Ringstruktur hinzugefügt, um es steifer zu machen und mehr Fläche einzunehmen, um es zu verlangsamen.“
Um die Dinge leicht zu halten, verwendete das Team Sonnenkollektoren anstelle einer schweren Batterie, um die Elektronik mit Strom zu versorgen. Die Geräte landeten in 95 % der Fälle mit aufrecht ausgerichteten Solarmodulen. Ihre Form und Struktur ermöglichen es ihnen, sich umzudrehen und in einer durchgehend aufrechten Ausrichtung zu fallen, ähnlich wie ein Löwenzahnsamen.
Ohne Batterie kann das System jedoch keine Ladung speichern, was bedeutet, dass die Sensoren nach Sonnenuntergang nicht mehr funktionieren. Und wenn dann am nächsten Morgen die Sonne aufgeht, braucht das System etwas Energie, um anzuspringen.
„Die Herausforderung besteht darin, dass die meisten Chips beim ersten Einschalten für kurze Zeit etwas mehr Strom verbrauchen“, sagte Iyer. „Sie überprüfen, ob alles richtig funktioniert, bevor sie mit der Ausführung des von Ihnen geschriebenen Codes beginnen. Das passiert auch, wenn Sie Ihr Telefon oder Ihren Laptop einschalten, aber natürlich haben sie einen Akku.“
Das Team entwarf die Elektronik so, dass sie einen Kondensator enthält, ein Gerät, das über Nacht etwas Ladung speichern kann.
„Dann haben wir diesen kleinen Schaltkreis, der misst, wie viel Energie wir gespeichert haben, und sobald die Sonne aufgeht und mehr Energie hereinkommt, wird er den Rest des Systems dazu veranlassen, sich einzuschalten, weil er dies wahrnimmt es liegt über einer gewissen Schwelle“, sagte Iyer.
Diese Geräte verwenden Backscatter, eine Methode, bei der Informationen durch Reflektieren übertragener Signale gesendet werden, um Sensordaten drahtlos an die Forscher zurückzusenden. Geräte mit Sensoren – die Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Licht messen – sendeten Daten bis zum Sonnenuntergang, wenn sie sich ausschalteten. Die Datenerfassung wurde fortgesetzt, als sich die Geräte am nächsten Morgen wieder einschalteten.
Um zu messen, wie weit die Geräte im Wind fliegen würden, ließen die Forscher sie aus verschiedenen Höhen fallen, entweder von Hand oder per Drohne auf dem Campus. Ein Trick, um die Geräte von einem einzigen Abwurfpunkt aus zu verteilen, besteht laut den Forschern darin, ihre Formen leicht zu variieren, damit sie unterschiedlich von der Brise getragen werden.
„Dies ahmt die Biologie nach, wo Variation eigentlich eher ein Merkmal als ein Fehler ist“, sagte Co-Autor Thomas Daniel, ein UW-Professor für Biologie. „Pflanzen können nicht garantieren, dass der Ort, an dem sie dieses Jahr aufgewachsen sind, nächstes Jahr gut sein wird, also haben sie einige Samen, die weiter weg reisen können, um ihre Wetten abzusichern.“
Ein weiterer Vorteil des batterielosen Systems ist, dass diesem Gerät nichts ausgeht – das Gerät läuft weiter, bis es physisch kaputt geht. Ein Nachteil dabei ist, dass die Elektronik über das interessierende Ökosystem verstreut sein wird. Die Forscher untersuchen, wie diese Systeme besser biologisch abbaubar gemacht werden können.
„Das ist nur der erste Schritt, deshalb ist es so aufregend“, sagte Iyer. „Es gibt so viele andere Richtungen, die wir jetzt einschlagen können – wie die Entwicklung größerer Bereitstellungen, die Entwicklung von Geräten, die ihre Form ändern können, wenn sie fallen, oder sogar das Hinzufügen von etwas mehr Mobilität, damit sich die Geräte bewegen können, sobald sie am Boden sind einem Bereich näher kommen, auf den wir neugierig sind.“
Inspiriert davon, wie Löwenzahn den Wind nutzt, um seine Samen zu verteilen, hat ein Team der University of Washington ein winziges sensortragendes Gerät entwickelt, das vom Wind weggeblasen werden kann, wenn es auf den Boden fällt. Dieses batterielose Gerät verwendet Sonnenkollektoren (hier schwarze Rechtecke), um seine Bordelektronik mit Strom zu versorgen. Mark Stone/Universität Washington
Inspiriert davon, wie Löwenzahn den Wind nutzt, um seine Samen zu verteilen, hat ein Team der University of Washington ein winziges, batterieloses, sensortragendes Gerät entwickelt, das vom Wind weggeblasen werden kann, wenn es auf den Boden fällt. Der erste Schritt bestand darin, eine Form zu entwickeln, die es dem System ermöglicht, sich Zeit zu nehmen, um zu Boden zu fallen, damit es von einer Brise herumgeschleudert werden kann. Die Forscher testeten 75 Designs (von denen einige hier gelb dargestellt sind), um festzustellen, was zur kleinsten „Endgeschwindigkeit“ oder zur maximalen Geschwindigkeit führen würde, die ein Gerät haben würde, wenn es durch die Luft fällt. Mark Stone/Universität Washington
Hans Gänsbauer, der diese Forschung als UW-Student mit Schwerpunkt Elektrotechnik und Computertechnik abgeschlossen hat und jetzt Ingenieur bei Gridware ist, ist auch Co-Autor. Diese Forschung wurde finanziert durch die Moore Inventor Fellow Awardder National Science Foundation und einem Stipendium des US Air Force Office of Scientific Research.
Obiger Artikel ursprünglich veröffentlicht von Universität von Washington.
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