Sensores flutuantes espalhados como sementes de dente-de-leão

Os dentes-de-leão evoluíram para dispersar suas sementes a mais de um quilômetro no ar.

Pesquisadores da Universidade de Washington querem dar aos sensores esse tipo de distância, de uma forma que suporte aplicações agrícolas e de monitoramento ambiental.

Normalmente, não é a melhor ideia soltar valiosos sensores sem fio de grandes alturas. Liderada pelos professores Shyam Gollakota e Vikram Ayer, a equipe da UW, no entanto, fez exatamente isso, criando um pequeno dispositivo de transporte de sensores que pode ser soprado pelo vento enquanto cai em direção ao solo.

Como sementes de dente-de-leão, os sensores flutuam na brisa. O dispositivo, cerca de 30 vezes mais pesado que uma semente de dente-de-leão de 1 miligrama, pode viajar até 100 metros em um dia ventoso.

Para manter os dispositivos leves e garantir que os sensores pousassem com os painéis solares voltados para o céu, os engenheiros da UW precisavam imitar a forma do dente-de-leão.

“A maneira como as estruturas das sementes de dente-de-leão funcionam é que elas têm um ponto central e essas pequenas cerdas saindo para retardar sua queda. Fizemos uma projeção 2D disso para criar o projeto básico para nossas estruturas”, disse o autor principal Vikram Iyer, professor assistente da UW na Allen School . “À medida que adicionamos peso, nossas cerdas começaram a dobrar para dentro. Adicionamos uma estrutura de anel para torná-lo mais rígido e ocupar mais área para ajudar a desacelerá-lo.”

Com a microusinagem a laser, Iyer e a equipe puderam testar uma variedade de padrões e tamanhos.

Dados do sensor como temperatura, umidade, pressão e luz podem ser compartilhados a uma distância de 60 metros. Os engenheiros projetaram os circuitos e eletrônicos leves e flexíveis para incluir um capacitor, um dispositivo que armazena alguma carga durante a noite.

Durante um teste, um drone derrubou sensores de uma altura de 20 metros e os enviou por cerca de 100 metros por um estacionamento próximo. (Veja o vídeo abaixo).

“Este é apenas o primeiro passo”, disse Iyer. “Existem muitas outras direções que podemos seguir agora – como desenvolver implantações em larga escala, criar dispositivos que podem mudar de forma à medida que caem ou até mesmo adicionar um pouco mais de mobilidade para que os dispositivos possam se mover assim que estiverem no chão. chegar mais perto de uma área sobre a qual estamos curiosos.”

Em uma breve sessão de perguntas e respostas com Resumos técnicos abaixo, Iyer fala mais sobre as vantagens e desvantagens de enviar sensores, no estilo semente.

Resumos técnicos :O que inspirou a escolha de imitar o dente-de-leão? (A ideia de sensores de disparo de dispersão parece um pouco contra-intuitiva para mim!)

Prof. Vikram Ayer :Se pensarmos em uma semente de dente-de-leão do ponto de vista da engenharia, ela tem algumas capacidades surpreendentes. Essas plantinhas não podem nem se mover, mas evoluíram para permitir que suas sementes se dispersem por até um quilômetro nas condições certas. Isso é exatamente o que gostaríamos de fazer para automatizar a implantação de redes de sensores sem fio. Se quisermos fazer medições com sensores em uma área geográfica realmente grande para fazer monitoramento ambiental para agricultura ou estudos de mudanças climáticas, isso pode ser muito demorado e caro, ou até perigoso em alguns locais remotos. Neste trabalho, buscamos inspiração nas sementes de dente-de-leão para automatizar esse processo criando sensores que podem se dispersar com o vento.

Resumos técnicos :Quanto o caminho de dispersão do sensor pode ser controlado? Quais são as vantagens e desvantagens de enviar o sensor “Seeds” de forma aleatória?

Prof. Vikram Ayer :Para obter uma boa cobertura sobre uma área, na verdade, olhamos para a natureza novamente. As plantas não podem garantir que onde cresceram este ano será bom no ano que vem, e a variação natural entre as sementes permite que algumas viajem para mais longe para proteger suas apostas. Adotamos a mesma abordagem e projetamos uma série de estruturas diferentes que flutuam no ar por diferentes períodos de tempo. Isso significa que, mesmo nas mesmas condições de vento, podemos garantir que alguns deles pousem mais perto e outros viajem mais longe para obter uma cobertura uniforme sobre uma área. Como próximo passo, estamos explorando maneiras de mudar a forma dessas estruturas no meio do vôo para obter um controle ainda mais refinado.



Resumos técnicos :Não seria importante saber a localização de cada sensor? Como isso poderia ser feito?

Prof. Vikram Ayer :podemos variar o design dos sensores para ajudar a obter uma cobertura uniforme em uma área. Também mostramos várias técnicas de localização sem fio antes que usávamos para rastrear abelhas , vespas assassinas , e pequenos objetos em casa ou em um hospital que esperamos integrar a esta plataforma. Podemos fazer isso observando coisas como a força dos sinais sem fio e comparando os sinais que recebemos em várias antenas para descobrir o ângulo do sensor e triangular sua posição.

Resumos técnicos :Para retrodifusão, de onde viria o sinal transmitido? Cada sensor teria que ser interrogado separadamente?

Prof. Vikram Ayer :Para transmitir o sinal e ler os dados, construímos um ponto de acesso com um transmissor e receptor de rádio, semelhante a um roteador Wi-Fi. Uma das coisas legais sobre este trabalho é que mostramos que um único ponto de acesso pode se comunicar com um de nossos sensores a até 60m de distância, e mostramos isso com experimentos usando pontos de acesso no solo se comunicando em um campo de futebol. Também poderíamos usar um drone para carregar essa mesma configuração para ler os dados ou usar uma configuração híbrida com estações no solo e drones, dependendo do cenário de implantação. Exploramos várias estratégias para se comunicar com muitos sensores, por exemplo, aproveitando o fato de que eles coletam energia e iniciam em momentos diferentes e também adicionando atrasos de tempo para garantir que suas transmissões não interfiram. Também podemos integrar nosso trabalho anterior em protocolos de retrodifusão que pode ser dimensionado para oferecer suporte a muitos dispositivos para melhorar o desempenho em versões futuras

Resumos técnicos :Para quais aplicativos esse recurso é mais valioso?

Prof. Vikram Ayer :Esta tecnologia pode ser útil para todos os tipos de aplicações de monitoramento ambiental onde você deseja espalhar sensores em uma grande área. Por exemplo, para agricultura de precisão, monitoramento ambiental para mudanças climáticas, especialmente áreas remotas e de difícil acesso, como florestas e geleiras. Outra parte importante deste trabalho é mostrar como podemos projetar esses minúsculos dispositivos de computação e sensores sem fio com dispositivos de computação programáveis ​​de uso geral. Isso permite que qualquer pessoa com experiência em ciência da computação ou engenharia construa nosso sistema e personalize a plataforma central de computação e sensoriamento para outros aplicativos, como sensores vestíveis, implantes médicos e microrrobôs.

Resumos técnicos :como foi testar isso e o que foi mais memorável quando você testou isso?

Prof. Vikram Ayer :Uma das características muito legais de emular o design de uma semente de dente-de-leão é que ela sempre cai com o mesmo lado voltado para cima. Mesmo se você soltá-lo de cabeça para baixo, você pode vê-lo virar no ar para se corrigir. Isso é realmente muito importante para o nosso design, porque garante que nossas células solares fiquem voltadas para cima e possam coletar a luz do sol para alimentar nosso sensor sem bateria.

Resumos técnicos :o que vem a seguir?

Prof. Vikram Ayer :Além das coisas mencionadas acima, como projetar maneiras de alterar a forma da estrutura à medida que ela cai, localizá-la sem fio e explorar coisas como materiais biodegradáveis ​​para tornar esses dispositivos mais sustentáveis ​​e evitar que poluam o meio ambiente, este trabalho faz parte da nossa visão mais ampla de criar a Internet de coisas bio-inspiradas e biológicas. Especificamente, há uma lacuna muito grande entre os sistemas biológicos e os recursos da IoT atual e dos sistemas incorporados, que são muito maiores e mais pesados ​​e a maioria não pode se movimentar. Em vez disso, imagine se pudermos criar pequenos dispositivos sem fio sem bateria que possam se movimentar e, de fato, flutuar no ar semelhante a sementes de dente-de-leão. Se pudéssemos fazer isso, poderíamos implantar centenas de sensores no vento em áreas remotas e de difícil acesso, como florestas, geleiras. Ou se criarmos sensores sem fio tão pequenos , também podemos começar a anexá-los a pequenos insetos como abelhas, besouros e vespas assassinas então podemos usar esses sensores para estudar seu comportamento na natureza. Se pudermos dar um passo adiante para integrar os atuadores com esses sensores sem fio, podemos permitir que eles se movimentem livremente e construam robôs em escala de insetos .

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