Cảm biến không dây tí hon bay lơ lửng trong gió như hạt bồ công anh

Cảm biến không dây có thể theo dõi nhiệt độ, độ ẩm hoặc các điều kiện môi trường khác thay đổi như thế nào trên các vùng đất rộng lớn, chẳng hạn như trang trại hoặc rừng.

Những công cụ này có thể cung cấp những hiểu biết độc đáo cho nhiều ứng dụng, bao gồm cả nông nghiệp kỹ thuật số và giám sát biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, có một vấn đề là việc đặt hàng trăm cảm biến trên một khu vực rộng lớn hiện rất tốn thời gian và tốn kém.

Lấy cảm hứng từ cách cây bồ công anh sử dụng gió để phân phối hạt giống của chúng, một nhóm nghiên cứu của Đại học Washington đã phát triển một thiết bị mang cảm biến nhỏ bé có thể bị gió thổi khi nó rơi xuống đất. Hệ thống này nặng gấp 30 lần hạt giống bồ công anh 1 miligam nhưng vẫn có thể bay xa tới 100 mét trong một làn gió vừa phải, tương đương với chiều dài của một sân bóng đá, từ nơi nó được thả bằng máy bay không người lái. Khi ở trên mặt đất, thiết bị, có thể chứa ít nhất bốn cảm biến, sử dụng các tấm pin mặt trời để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử trên bo mạch và có thể chia sẻ dữ liệu cảm biến cách xa đến 60 mét.

Nhóm nghiên cứu đã công bố những kết quả này gần đây trên tạp chí Nature .

“Chúng tôi cho thấy rằng bạn có thể sử dụng các thành phần có sẵn để tạo ra những thứ nhỏ bé. Nguyên mẫu của chúng tôi gợi ý rằng bạn có thể sử dụng máy bay không người lái để thả hàng nghìn thiết bị này chỉ trong một lần thả. Tất cả chúng sẽ bị gió cuốn theo một chút khác biệt và về cơ bản, bạn có thể tạo ra một mạng 1.000 thiết bị chỉ với một lần thả này ”, tác giả cấp cao Shyam Gollakota, giáo sư UW tại Trường Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Paul G. Allen cho biết. . “Điều này thật tuyệt vời và mang tính chuyển đổi đối với lĩnh vực triển khai cảm biến, bởi vì hiện tại có thể mất hàng tháng để triển khai thủ công nhiều cảm biến này”.

Bởi vì các thiết bị có thiết bị điện tử trên bo mạch, thật khó để làm cho toàn bộ hệ thống nhẹ như một hạt bồ công anh thực sự. Bước đầu tiên là phát triển một hình dạng cho phép hệ thống có thời gian rơi xuống đất để nó có thể bị hất tung bởi một cơn gió nhẹ. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm 75 thiết kế để xác định điều gì sẽ dẫn đến “vận tốc đầu cuối” nhỏ nhất hoặc tốc độ tối đa mà một thiết bị có được khi rơi trong không khí.

“Cách thức hoạt động của cấu trúc hạt giống bồ công anh là chúng có một điểm chính giữa và những sợi lông nhỏ này nhô ra để làm chậm quá trình rụng của chúng. Chúng tôi đã lấy một phép chiếu 2D của nó để tạo ra thiết kế cơ sở cho các cấu trúc của chúng tôi, ”tác giả chính Vikram Iyer, một trợ lý giáo sư UW tại Trường Allen cho biết. “Khi chúng tôi tăng thêm trọng lượng, lông của chúng tôi bắt đầu cong vào trong. Chúng tôi đã thêm một cấu trúc vòng để làm cho nó cứng hơn và chiếm nhiều diện tích hơn để giúp giảm tốc độ. “

Để giữ cho mọi thứ nhẹ nhàng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các tấm pin mặt trời thay vì pin nặng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Các thiết bị hạ cánh với các tấm pin mặt trời hướng thẳng đứng 95% thời gian. Hình dạng và cấu trúc của chúng cho phép chúng lật lên và rơi xuống theo hướng thẳng đứng nhất quán tương tự như hạt bồ công anh.

Tuy nhiên, nếu không có pin, hệ thống không thể tích điện, có nghĩa là sau khi mặt trời lặn, các cảm biến sẽ ngừng hoạt động. Và khi mặt trời mọc vào sáng hôm sau, hệ thống cần một chút năng lượng để bắt đầu.

“Thách thức là hầu hết các chip sẽ tiêu thụ nhiều điện hơn một chút trong một thời gian ngắn khi bạn bật chúng lần đầu tiên,” Iyer nói. “Họ sẽ kiểm tra để đảm bảo mọi thứ hoạt động bình thường trước khi bắt đầu thực thi mã mà bạn đã viết. Điều này xảy ra khi bạn bật điện thoại hoặc máy tính xách tay của mình, nhưng tất nhiên chúng có pin ”.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế thiết bị điện tử bao gồm một tụ điện, một thiết bị có thể lưu trữ một lượng điện tích qua đêm.

“Sau đó, chúng tôi có một mạch nhỏ này sẽ đo lượng năng lượng mà chúng tôi đã tích trữ và, một khi mặt trời mọc và có nhiều năng lượng đi vào, nó sẽ kích hoạt phần còn lại của hệ thống vì nó cảm nhận được điều đó. Iyer nói.

Các thiết bị này sử dụng tán xạ ngược, một phương pháp liên quan đến việc gửi thông tin bằng cách phản ánh các tín hiệu đã truyền, để gửi dữ liệu cảm biến về cho các nhà nghiên cứu một cách không dây. Các thiết bị mang cảm biến – đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và ánh sáng – đã gửi dữ liệu cho đến khi mặt trời lặn khi chúng tắt. Việc thu thập dữ liệu được tiếp tục khi các thiết bị tự hoạt động trở lại vào sáng hôm sau.

Để đo lường mức độ di chuyển của các thiết bị trong gió, các nhà nghiên cứu đã thả chúng từ các độ cao khác nhau, bằng tay hoặc bằng máy bay không người lái trong khuôn viên trường. Các nhà nghiên cứu cho biết, một mẹo để trải các thiết bị ra khỏi một điểm rơi duy nhất là thay đổi hình dạng của chúng một chút để chúng được đưa theo làn gió khác nhau.

Đồng tác giả Thomas Daniel, một giáo sư sinh học của Đại học UW, cho biết: “Đây là sự bắt chước sinh học, trong đó sự biến đổi thực sự là một đặc điểm chứ không phải là một lỗi. “Thực vật không thể đảm bảo rằng nơi chúng lớn lên trong năm nay sẽ tốt vào năm sau, vì vậy chúng có thể có một số hạt giống có thể bay xa hơn để bảo vệ sự đánh cược của chúng.”

Một lợi ích khác của hệ thống không dùng pin là không có gì trên thiết bị này sẽ hết pin – thiết bị sẽ tiếp tục hoạt động cho đến khi bị hỏng. Một hạn chế của điều này là các thiết bị điện tử sẽ nằm rải rác trong hệ sinh thái quan tâm. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu cách làm cho các hệ thống này dễ phân hủy sinh học hơn.

“Đây chỉ là bước đầu tiên, đó là lý do tại sao nó rất thú vị,” Iyer nói. “Có rất nhiều hướng khác mà chúng tôi có thể thực hiện bây giờ – chẳng hạn như phát triển các triển khai quy mô lớn hơn, tạo ra các thiết bị có thể thay đổi hình dạng khi chúng rơi xuống hoặc thậm chí thêm một số tính di động hơn để các thiết bị có thể di chuyển xung quanh khi chúng ở trên mặt đất đến gần hơn một khu vực mà chúng tôi đang tò mò. ”

Tham khảo: “Sự phát tán gió của các thiết bị không dây không dùng pin” của Vikram Iyer, Hans Gaensbauer, Thomas L. Daniel và Shyamnath Gollakota, ngày 16 tháng 3 năm 2022, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-04363-9

Hans Gaensbauer, người đã hoàn thành nghiên cứu này với tư cách là sinh viên đại học tại UW chuyên ngành kỹ thuật điện và máy tính và hiện là kỹ sư tại Gridware, cũng là đồng tác giả. Nghiên cứu này được tài trợ bởi giải thưởng Moore Inventor Fellow, Quỹ Khoa học Quốc gia và một khoản tài trợ từ Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân Hoa Kỳ.

Theo Scitechdaily