浮动传感器像蒲公英种子一样传播

蒲公英已经进化到可以将它们的种子散布在一公里以上的空气中。

华盛顿大学的研究人员希望以支持农业和环境监测应用的方式为传感器提供这样的距离。

通常，从高处掉落有价值的无线传感器并不是最好的主意。然而，在 Shyam Gollakota 和 Vikram Ayer 教授的带领下，威斯康星大学的团队做到了这一点，创造了一种微型传感器携带装置，当它向地面翻滚时会被风吹走。

像蒲公英种子一样，传感器漂浮在微风中。该装置的重量约为 1 毫克蒲公英种子的 30 倍，在刮风的日子里可以行驶 100 米。

为了保持设备的亮度并确保传感器着陆时太阳能电池板面向天空，华盛顿大学的工程师需要模仿蒲公英的形状。

“蒲公英种子结构的工作方式是它们有一个中心点，这些小刷毛伸出来减缓它们的下落。我们对其进行了 2D 投影，为我们的结构创建了基础设计，”主要作者、艾伦学院威斯康星大学助理教授 Vikram Iyer 说 . “当我们增加重量时，我们的刷毛开始向内弯曲。我们添加了一个环形结构，使其更加坚硬并占据更多面积以帮助减慢速度。”

通过激光微加工，Iyer 和团队可以测试出各种图案和尺寸。

温度、湿度、压力和光线等传感器数据可以在 60 米的距离内共享。工程师们设计了轻巧、灵活的电路和电子设备，其中包括一个电容器，这种设备可以在一夜之间储存一些电荷。

在一次测试中，一架无人机从 20 米高处掉落传感器，并将传感器发送到 100 米左右的附近停车场。 （请看下面的视频）。

“这只是第一步，”艾尔说。 “我们现在可以采取许多其他方向 - 例如开发更大规模的部署，创建可以在坠落时改变形状的设备，甚至增加一些移动性，以便设备一旦在地面上就可以移动以靠近我们感兴趣的区域。”

在技术简介的简短问答中 下面，Iyer 更多地讨论了以种子方式发送传感器的优缺点。

技术简介 :是什么激发了选择模仿蒲公英的灵感？ （那种散射式传感器的想法对我来说有点违反直觉！）

教授。维克拉姆·艾耶 ：如果我们从工程的角度考虑蒲公英种子，它有一些非常惊人的能力。这些小植物甚至不能移动，但它们已经进化到能够让它们的种子在适当的条件下分散长达一公里。这正是我们想要为无线传感器网络的自动化部署所做的事情。如果我们想在一个非常大的地理区域内进行传感器测量以进行农业环境监测或气候变化研究，这可能非常耗时且昂贵，在某些偏远地区甚至是危险的。在这项工作中，我们转而从蒲公英种子中寻找灵感，通过创建可以在风中分散的传感器来自动化这个过程。

技术简介 :传感器的扩散路径可以控制多少？随机发送传感器“种子”有什么优缺点？

教授。维克拉姆·艾耶 ：为了在一个区域获得良好的覆盖，我们实际上再次关注自然。植物不能保证今年它们长大的地方明年会很好，种子之间的自然变异使一些植物可以走得更远以对冲他们的赌注。我们采用相同的方法并设计了一系列不同的结构，这些结构在不同的时间段内漂浮在空中。这意味着即使在相同的风力条件下，我们也可以确保它们中的一些降落得更近，而另一些则移动得更远，以在一个区域内获得均匀的覆盖。作为下一步，我们正在探索如何在飞行途中改变这些结构的形状，以获得更精细的控制。

技术简介 :知道每个传感器的位置不是很重要吗？怎么可能做到这一点？

教授。维克拉姆·艾耶 ：我们可以改变传感器的设计，以帮助在一个区域内获得均匀的覆盖。在我们用于追踪大黄蜂之前，我们还展示了多种无线定位技术 , 谋杀大黄蜂 ，以及房子周围或医院里的小物件 我们希望与这个平台集成。我们可以通过查看无线信号强度等信息并比较我们在多个天线上获得的信号来确定与传感器的角度并对其位置进行三角测量来做到这一点。

技术简介 :对于反向散射，发射信号从何而来？是否必须单独询问每个传感器？

教授。维克拉姆·艾耶 ：为了传输信号并读回数据，我们构建了一个带有无线电发射器和接收器的接入点，类似于 Wi-Fi 路由器。这项工作的一个很酷的事情是，我们展示了一个接入点可以与我们的一个传感器进行通信，距离最远 60m，我们通过使用地面接入点进行跨足球场通信的实验来展示这一点。我们还可以使用无人机来携带相同的设置来读取数据，或者根据部署场景使用地面站和无人机的混合设置。我们探索了与许多传感器进行通信的多种策略，例如利用它们正在收集能量并将在不同时间启动的事实，以及增加时间延迟以确保它们的传输不会干扰。我们还可以整合我们之前关于反向散射协议的工作 可以扩展以支持许多设备，从而在未来版本中提高性能

技术简介 ：此功能对哪些应用最有价值？

教授。维克拉姆·艾耶 ：该技术可用于您希望在大面积上分布传感器的各种环境监测应用。例如，精准农业、气候变化的环境监测，尤其是偏远、难以到达的地区，如森林和冰川。这项工作的另一个重要部分是我们展示了如何设计这些带有可编程通用计算设备的微型无线计算和传感设备。这使得任何具有计算机科学或工程背景的人都可以在我们的系统上进行构建，并为可穿戴传感器、医疗植入物和微型机器人等其他应用定制核心计算和传感平台。

技术简介 :测试这个是什么感觉，当你测试这个时最难忘的是什么？

教授。维克拉姆·艾耶 ：模仿蒲公英种子设计的一个非常酷的特点是它总是以同一面朝上的方式落下。即使您将其从倒置的位置放下，您也可以看到它在半空中翻转以进行自我纠正。这实际上对我们的设计非常重要，因为它确保我们的太阳能电池面朝上并可以收集阳光为我们的无电池传感器供电。

技术简介 :下一步是什么？

教授。维克拉姆·艾耶 ：除了上面提到的设计方法来改变结构的下落形状，无线定位它，探索可生物降解材料之类的东西以使这些设备更具可持续性并防止它们污染环境之外，这项工作是其中的一部分我们更广泛的愿景是创造生物启发和生物事物的互联网。具体来说，生物系统与当前的物联网和嵌入式系统的能力之间存在相当大的差距，这些系统更大更重，大多数无法移动。相反，想象一下，如果我们可以制造出可以移动的小型无电池无线设备，实际上可以像蒲公英种子一样漂浮在空中。如果我们能做到这一点，我们可以在偏远、难以到达的地区（如森林、冰川）中部署数百个风中传感器。或者，如果我们创建如此小的无线传感器 ，那么我们也可以开始将它们附着在蜜蜂、甲虫和杀人黄蜂等微小昆虫上 然后我们可以使用这些传感器来研究它们在野外的行为。如果我们可以更进一步将执行器与这些无线传感器集成，我们可以让它们自由移动并构建昆虫规模的机器人 .

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另外：阅读我们关于蒲公英启发成就的“5 Ws”。

了解 5 种可感知和检测的高科技材料