Крошечные датчики, вдохновленные одуванчиком, могут быть развеяны ветром.

Фото: Mark Stone/University of Washington

Электроника
Инструменты
Шрифты

Продолжающаяся миниатюризация электроники позволила создать несколько невероятно маленьких датчиков для отслеживания таких вещей, как температура и влажность. Воображая будущее, в котором сотни таких сенсоров будут размещены вокруг лесов или ферм для крупномасштабного мониторинга окружающей среды, ученые разработали сенсорные платформы, достаточно легкие и компактные, чтобы их можно было сбрасывать сотнями с дронов, а затем рассеивать, как семена одуванчика на ветру, для эффективного создания обширных сетей самих по себе.

Хотя датчики такого рода обладают захватывающим потенциалом, их развертывание на больших площадях в настоящее время требует много кропотливой и трудоемкой ручной работы по размещению отдельных датчиков. На самом деле мы уже видели дроны, которые упрощали этот тип работы, сбрасывая датчики на землю или даже стреляя ими, как дротиками.

Ученые из Вашингтонского университета придумали еще более эффективный способ делать такие вещи, и он начинается с тщательно продуманного дизайна, вдохновленного тем, как одуванчики распространяют свои семена с ветром. Команда на этом пути проработала 75 дизайнов, смоделированных по образцу этих семян, прежде чем приземлиться на окончательный вариант, который все еще требовал некоторых изменений.

Ученые Вашингтонского университета экспериментировали с 75 конструкциями своих новых датчиков, вдохновленных семенами одуванчика. В новаторских датчиках для питания используются солнечные батареи (черные прямоугольники) вместо батарей. Фото: Mark Stone/University of Washington

«Механизм работы структур семян одуванчика заключается в том, что они имеют центральную точку и эти маленькие торчащие щетинки, замедляющие их падение», — сказал Викрам Айер, автор исследования. «Мы взяли 2D-проекцию этого, чтобы создать базовый дизайн для наших структур. Когда мы добавили вес, наши щетинки начали изгибаться внутрь. Мы добавили кольцевую структуру, чтобы сделать это более жестким и занимать больше места, чтобы замедлить это».

От тяжелых аккумуляторов отказались в пользу крошечных солнечных панелей для питания бортовой электроники, которые включают в себя конденсатор для хранения заряда после захода солнца и повторного запуска датчика на следующее утро. Несмотря на то, что дизайн без батареи делает платформу легкой, она все же еще примерно в 30 раз тяжелее, чем одно миллиграммовое семя одуванчика. Однако, эксперименты команды показали, что он достаточно легкий, чтобы преодолеть футбольное поле при умеренном ветре после падения с дрона.

«Мы показываем, что вы можете использовать общедоступные готовые компоненты для создания крошечных вещей», — сказал старший автор Шьям Голлакота. «Наш прототип предполагает, что вы можете использовать дрон для выпуска тысяч таких устройств за один сброс. Все они будут разнесены ветром немного по-разному, и, по сути, вы можете создать сеть из 1000 устройств с помощью одного этого сброса. Это изумительно, и это трансформирует область развертывания датчиков, потому что прямо сейчас на ручное развертывание такого количества датчиков могут уйти месяцы».

Вид на электронику бортовых датчиков. Фото: Mark Stone/University of Washington

На земле, каждая из крошечных платформ команды может содержать до четырех датчиков, измеряющих температуру, свет, влажность и давление, и передавать данные с расстояния до 60 метров. Дизайн предполагает, что они приземляются с солнечными панелями, обращенными лицом вверх в 95 процентах случаев, и исследователи обнаружили, что изменение их формы даже незначительно меняет способ их движения на ветру, гарантированно обеспечивая их распространение в разных местах.

«Это имитация биологии, где вариация на самом деле является особенностью, а не ошибкой», — сказал соавтор Томас Дэниел. «Растения не могут гарантировать то, что если они выросли в этом году, то и следующий год будет хорошим, поэтому у них есть семена, которые могут улететь дальше, чтобы застраховать свои ставки».

У ученых уже есть некоторые идеи о том, как улучшить этот первоначальный дизайн, работая над биоразлагаемыми версиями, чтобы избежать проблемы разбрасывания электронных отходов, среди разных соображений.

«Это только первый шаг, поэтому он такой захватывающий», — сказал Айер. «Есть так много других направлений, которые мы можем выбрать сейчас, например, разработка крупномасштабных развертываний, создание устройств, которые могут менять форму при падении, или даже добавление большей мобильности, чтобы устройства могли перемещаться, когда они находятся на земле, чтобы приблизиться к интересующей нас области».

Исследование было опубликовано в журнале Nature, а видео ниже предлагает обзор технологии.

Источник: University of Washington.