Sensores Dispersos pelo Vento Imitam Sementes de Dente-de-Leão para Monitoramento Remoto

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 de monitoramento agrícola e ambiental.

Geralmente não é a melhor ideia soltar sensores sem fio valiosos de grandes alturas. Liderados pelos Professores Shyam Gollakota e Vikram Ayer, a equipe da UW, no entanto, fez exatamente isso, criando um minúsculo dispositivo carregador de sensor que pode ser soprado pelo vento enquanto gira 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 precisaram imitar a forma do dente-de-leão.

"A forma como as estruturas de sementes de dente-de-leão funcionam é que elas têm um ponto central e estas pequenas cerdas saindo para desacelerar sua queda. Pegamos uma projeção 2D disso para criar o design base para nossas estruturas," disse o autor principal Vikram Iyer, professor assistente da UW na Allen School . "À medida que adicionávamos peso, nossas cerdas começaram a curvar para dentro. Adicionamos uma estrutura de anel para torná-la mais rígida e ocupar mais área para ajudar a desacelerar."

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

Dados de sensores 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 soltou sensores de uma altura de 20 metros e enviou os sensores cerca de 100 metros através de um estacionamento próximo. (Veja o vídeo abaixo).

"Este é apenas o primeiro passo," disse Iyer. "Existem tantas outras direções que podemos tomar agora — como desenvolver implantações em larga escala, criar dispositivos que podem mudar de forma enquanto caem, ou até adicionar mais mobilidade para que os dispositivos possam se mover uma vez no solo para se aproximar de uma área sobre a qual estamos curiosos."

Em um breve P&R com Tech Briefs abaixo, Iyer fala mais sobre as vantagens e desvantagens de enviar sensores estilo semente.

Tech Briefs: O que inspirou a escolha de imitar o dente-de-leão? (A ideia de, tipo, atirar sensores aleatoriamente parece ligeiramente contra-intuitiva para mim!)

Prof. Vikram Ayer: Se pensarmos sobre uma semente de dente-de-leão de uma perspectiva de engenharia, ela tem algumas capacidades bem incríveis. Estas plantinhas nem sequer se movem, mas evoluíram para serem capazes de deixar suas sementes dispersarem 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 de sensores em uma área geográfica realmente grande para monitoramento ambiental para agricultura ou estudos de mudança climática, isso pode ser muito demorado e caro, ou até perigoso em alguns locais remotos. Neste trabalho, em vez disso, olhamos para sementes de dente-de-leão para inspiração para automatizar este processo criando sensores que podem dispersar no vento.

Tech Briefs: Quanto o caminho de dispersão do sensor pode ser controlado? Quais são as vantagens e desvantagens de enviar os "Sementes" do sensor de forma um tanto aleatória?

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

Tech Briefs: 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 cobertura uniforme sobre uma área. Também mostramos múltiplas técnicas para localização sem fio antes que usamos para rastrear abelhas , vespas assassinas , e pequenos objetos ao redor da casa ou em um hospital  que esperamos integrar com esta plataforma. Podemos fazer isso olhando coisas como força do sinal sem fio e comparando os sinais que obtemos em múltiplas antenas para descobrir o ângulo para o sensor e triangular sua posição.

Tech Briefs: Para backscatter, de onde viria o sinal transmitido? Cada sensor teria que ser interrogado separadamente?

Prof. Vikram Ayer: Para transmitir o sinal e ler os dados de volta, construímos um ponto de acesso com um transmissor e receptor de rádio, similar 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 até 60m de distância, e mostramos isso com experimentos usando pontos de acesso no solo se comunicando através de um campo de futebol. Também poderíamos usar um drone para carregar esta mesma configuração para ler os dados, ou usar uma configuração híbrida com estações no solo e drones dependendo do cenário de implantação. Exploramos múltiplas estratégias para se comunicar com muitos sensores, por exemplo, aproveitando o fato de que eles estão colhendo energia e iniciarão em tempos diferentes, e também adicionando atrasos de tempo para garantir que suas transmissões não interfiram. Também podemos integrar nosso trabalho anterior em protocolos de backscatter  que podem escalar para suportar muitos dispositivos para desempenho melhorado em versões futuras.

Tech Briefs: Para quais aplicações esta capacidade é mais valiosa?

Prof. Vikram Ayer: Esta tecnologia pode ser útil para todo tipo de aplicações de monitoramento ambiental onde você quer espalhar sensores sobre uma grande área. Por exemplo, para agricultura de precisão, monitoramento ambiental para mudança climática especialmente áreas remotas e de difícil acesso como florestas e geleiras. Outra parte importante deste trabalho é mostramos como podemos projetar esses minúsculos dispositivos de computação e detecção sem fio com dispositivos de computação de propósito geral programáveis. Isso permite que qualquer pessoa com formação em ciência da computação ou engenharia construa sobre nosso sistema e personalize a plataforma central de computação e detecção para outras aplicações como sensores vestíveis, implantes médicos e microrrobôs.

Tech Briefs: Como foi testar isso, e o que foi mais memorável quando você testou?

Prof. Vikram Ayer: Uma das características realmente 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 soltar de cabeça para baixo, você pode vê-la virar no ar para se corrigir. Isso é na verdade muito importante para nosso design porque garante que nossas células solares fiquem voltadas para cima e possam coletar luz solar para alimentar nosso sensor sem bateria.

Tech Briefs: O que vem a seguir?

Prof. Vikram Ayer: Além das coisas mencionadas acima como projetar maneiras de mudar a forma da estrutura enquanto cai, localizá-la sem fio, e explorar coisas como materiais biodegradáveis para tornar esses dispositivos mais sustentáveis e impedir que poluam o ambiente, este trabalho é parte de nossa visão mais ampla de criar a Internet de coisas bio-inspiradas e biológicas. Especificamente, há uma lacuna bem grande entre sistemas biológicos e as capacidades atuais de IoT e sistemas embarcados, que são muito maiores e mais pesados e a maioria não pode se mover. Em vez disso, imagine, se pudermos criar minúsculos dispositivos sem fio sem bateria que podem se mover, e de fato flutuar no ar similar 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 , então também podemos começar a anexá-los a minúsculos insetos como abelhas, besouros e vespas assassinas  então podemos usar esses sensores para estudar seu comportamento na natureza. Se pudermos ir um passo além para integrar atuadores com esses sensores sem fio, podemos habilitá-los a se mover livremente e construir microrrobôs em escala de insetos .

O que você acha? Compartilhe suas perguntas e comentários abaixo.

Também: Leia nossos "5 Ws" sobre a conquista inspirada no dente-de-leão.

Saiba sobre 5 Materiais de Alta Tecnologia que Sentem e Detectam