ワイヤレスセンサーは、農場や森林などの広大な土地で、温度や湿度などの環境条件の変化をモニターすることができます。
このようなツールは、デジタル農業や気候変動の監視など、さまざまなアプリケーションに独自の洞察をもたらす可能性があります。しかし、広大な土地に何百ものセンサーを物理的に配置するには、時間と費用がかかるという問題があります。
ワシントン大学の研究チームは、タンポポが風を利用して種をばらまく方法にヒントを得て、風に吹かれて地面に向かって転がることができる小さなセンサー搭載装置を開発しました。 このシステムは、1ミリグラムのタンポポの種の約30倍の重さですが、それでもドローンによって放たれた場所から、適度な風でサッカー場ほどの長さ、100メートルまで移動することができます。地上に降り立つと、少なくとも4つのセンサーを搭載できるこの装置は、搭載された電子機器の電力供給にソーラーパネルを使用し、最大60メートル離れた場所でセンサーデータを共有することができます。研究チームはこの成果を『Nature』に発表しました。
「私たちは、市販の部品を使って小さなものを作ることができることを示しました。私たちのプロトタイプは、ドローンを使って、これらのデバイスを何千個も一度に投下できることを示唆しています。基本的には、この一滴で1,000台のデバイスのネットワークを構築することができます」と、シニアオーサーのShyam Gollakota氏（UW Paul G. Allen School of Computer Science & Engineeringの教授）は述べています。"これは驚くべきことで、センサーの配置の分野に変革をもたらします。" "現在、これだけのセンサーを手動で配置するには、数ヶ月かかるかもしれません。
デバイスには電子回路が搭載されているため、システム全体を実際のタンポポの種のように軽くするのは難しいことです。そのため、まず最初に取り組んだのは、システムがゆっくりと地面に落ちていき、風になびくような形状を開発することでした。 研究者たちは75のデザインをテストし、「終端速度」、つまり空中を落下する際の最大速度を最も小さくする方法を探りました。
「タンポポの種の構造は、中心が尖っていて、そこに小さな毛が突き出ていて、落下速度が遅くなるようになっています。私たちは、この構造を2次元的に投影して、構造体の基本設計を行いました」と、カリフォルニア大学アレン校の助教授、Vikram Iyer氏は述べています。「重量を加えると、毛が内側に曲がり始めました。私たちは、リング構造を追加して、より硬くし、より多くの面積を取ることで、それを減速させることができました。
軽量化のため、重いバッテリーの代わりにソーラーパネルを使用し、電子機器に電力を供給しました。この装置は、95％の確率で太陽電池パネルを直立させた状態で着地しました。その形状や構造から、タンポポの種のように、常に直立した向きで裏返ったり落下したりすることができるのです。
しかし、バッテリーがないと電荷を蓄えることができないため、太陽が沈むとセンサーが作動しなくなります。そして、翌朝、太陽が昇ると、システムを起動させるためのエネルギーが必要になる。
「課題は、ほとんどのチップは、最初に電源を入れたとき、短時間だけ少し多めに電力を消費することです」とIyer氏は言う。「あなたが書いたコードを実行し始める前に、すべてが正しく動作していることを確認するのです。これは、携帯電話やノートパソコンの電源を入れたときにも起こることですが、もちろん、それらにはバッテリーがついています"
研究チームは、一晩中電荷を蓄えることができるコンデンサーを含む電子回路を設計しました。「そして、蓄えたエネルギーの量を測定する小さな回路があり、太陽が昇ってエネルギーが増えると、ある閾値を超えたことを感知して、システムの残りの部分を起動させるのです」とアイヤーは語った。
これらのデバイスは、後方散乱法（送信された信号を反射させて情報を送る方法）を使って、センサーデータを研究者に無線で送り返す。温度、湿度、気圧、照度などのセンサーを搭載した機器は、日没までデータを送信し、日没後は電源をオフにした。翌朝、再び電源を入れると、データ収集が再開される。
風による移動距離を測定するため、研究者たちはキャンパス内のさまざまな高さから、手作業またはドローンでデバイスを落下させました。1つの落下地点からデバイスを広げるコツは、デバイスの形状をわずかに変えて、風に運ばれる距離を変えることだと研究者は述べています。
“これは生物学を模倣したもので、ばらつきはバグではなく、実は特徴なのです」と、共著者のトーマス・ダニエル（UW生物学教授）は語っています。"植物は、今年育った場所が来年も良いとは保証できないので、ヘッジするために遠くまで移動できる種をいくつか持っているのです。"
電池不要システムのもう一つの利点は、この装置には電池切れになるようなものは何もなく、装置は物理的に壊れるまで動き続けるということです。この欠点は、電子機器が対象の生態系に散らばってしまうことです。研究者たちは、これらのシステムをより生分解性の高いものにする方法を研究しています。
「これは最初のステップに過ぎず、だからこそとてもエキサイティングなのです」とIyer氏は言います。「例えば、もっと大規模な装置を開発したり、落下しながら形を変えられる装置を作ったり、あるいは、もっと機動性を持たせて、一度地上に降りた装置を動かして、気になる場所に近づけるようにすることもできます。
UWの学部で電気・コンピュータ工学を専攻してこの研究を終え、現在グリッドウェア社のエンジニアであるハンス・ゲーンズバウアーも共著者です。この研究は、ムーア発明家フェロー賞、米国科学財団、米国空軍科学研究所の助成金によって行われました。
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