Des capteurs sans fil peuvent surveiller la façon dont la température, l'humidité ou d'autres conditions environnementales varient sur de grandes étendues de terrain, comme des fermes ou des forêts.
Ces outils pourraient fournir des informations uniques pour une variété d'applications, notamment l'agriculture numérique et la surveillance du changement climatique. Un problème, cependant, est qu'il est actuellement long et coûteux de placer physiquement des centaines de capteurs sur une grande surface.
S'inspirant de la façon dont les pissenlits utilisent le vent pour distribuer leurs graines, une équipe de l'université de Washington a mis au point un minuscule dispositif porteur de capteurs qui peut être emporté par le vent lorsqu'il tombe vers le sol. Ce système est environ 30 fois plus lourd qu'une graine de pissenlit d'un milligramme, mais peut tout de même parcourir jusqu'à 100 mètres dans une brise modérée, soit la longueur d'un terrain de football, à partir de l'endroit où il a été libéré par un drone. Une fois au sol, le dispositif, qui peut contenir au moins quatre capteurs, utilise des panneaux solaires pour alimenter son électronique embarquée et peut partager les données des capteurs jusqu'à 60 mètres de distance. L'équipe a publié ces résultats dans la revue Nature.
"Nous montrons que vous pouvez utiliser des composants prêts à l'emploi pour créer des choses minuscules. Notre prototype suggère que vous pourriez utiliser un drone pour libérer des milliers de ces dispositifs en une seule chute. Ils seront tous portés par le vent de manière un peu différente, et en gros, vous pouvez créer un réseau de 1 000 dispositifs avec cette seule goutte", a déclaré l'auteur principal, Shyam Gollakota, professeur de l'UW à la Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. "C'est incroyable et transformateur pour le domaine du déploiement des capteurs, car à l'heure actuelle, le déploiement manuel d'un tel nombre de capteurs peut prendre des mois."
Comme les dispositifs embarquent de l'électronique, il est difficile de rendre l'ensemble du système aussi léger qu'une véritable graine de pissenlit. La première étape a consisté à mettre au point une forme qui permette au système de prendre son temps pour tomber au sol et d'être ballotté par la brise. Les chercheurs ont testé 75 modèles pour déterminer celui qui permettrait d'atteindre la plus petite "vitesse terminale", c'est-à-dire la vitesse maximale d'un dispositif lorsqu'il tombe dans l'air.
"Les structures des graines de pissenlit fonctionnent de la manière suivante : elles ont un point central et ces petits poils qui dépassent pour ralentir leur chute. Nous en avons fait une projection en 2D pour créer la conception de base de nos structures", explique l'auteur principal, Vikram Iyer, professeur adjoint à l'école Allen de l'université de Washington. "Lorsque nous avons ajouté du poids, nos poils ont commencé à se plier vers l'intérieur. Nous avons ajouté une structure en anneau pour la rendre plus rigide et occuper plus de surface pour aider à la ralentir.
Pour que tout reste léger, l'équipe a utilisé des panneaux solaires au lieu d'une lourde batterie pour alimenter l'électronique. Les appareils ont atterri avec les panneaux solaires orientés vers le haut 95 % du temps. Leur forme et leur structure leur permettent de se retourner et de tomber dans une orientation verticale constante, comme une graine de pissenlit.
Cependant, sans batterie, le système ne peut pas stocker de charge, ce qui signifie que lorsque le soleil se couche, les capteurs cessent de fonctionner. Et lorsque le soleil se lève le lendemain matin, le système a besoin d'un peu d'énergie pour démarrer.
"Le défi est que la plupart des puces consomment un peu plus d'énergie pendant une courte période lorsque vous les allumez pour la première fois", a déclaré Iyer. "Elles vont vérifier que tout fonctionne correctement avant de commencer à exécuter le code que vous avez écrit. Cela se produit également lorsque vous allumez votre téléphone ou votre ordinateur portable, mais bien sûr, ils ont une batterie."
L'équipe a conçu l'électronique de manière à inclure un condensateur, un dispositif capable de stocker une certaine charge pendant la nuit. "Ensuite, nous avons ce petit circuit qui mesure la quantité d'énergie stockée et, dès que le soleil se lève et qu'il y a plus d'énergie entrante, il déclenche la mise en marche du reste du système parce qu'il sent qu'il est au-dessus d'un certain seuil", a déclaré Iyer.
Ces dispositifs utilisent la rétrodiffusion, une méthode qui consiste à envoyer des informations en réfléchissant les signaux transmis, pour renvoyer sans fil les données des capteurs aux chercheurs. Les appareils équipés de capteurs - mesurant la température, l'humidité, la pression et la lumière - ont envoyé des données jusqu'au coucher du soleil, où ils se sont éteints. La collecte de données a repris lorsque les dispositifs se sont rallumés le lendemain matin.
Pour mesurer la distance parcourue par les dispositifs dans le vent, les chercheurs les ont lâchés de différentes hauteurs, soit à la main, soit par drone sur le campus. Selon les chercheurs, une astuce pour répartir les dispositifs à partir d'un point de chute unique consiste à varier légèrement leur forme afin qu'ils soient portés par la brise de manière différente.
"Cela imite la biologie, où la variation est en fait une caractéristique, plutôt qu'un bug", a déclaré le coauteur Thomas Daniel, professeur de biologie à l'UW. "Les plantes ne peuvent pas garantir que l'endroit où elles ont poussé cette année sera bon l'année prochaine, donc elles ont des graines qui peuvent voyager plus loin pour couvrir leurs paris."
Un autre avantage du système sans batterie est qu'il n'y a rien sur cet appareil qui va tomber à court de jus - l'appareil continuera à fonctionner jusqu'à ce qu'il tombe physiquement en panne. L'inconvénient est que l'électronique sera dispersée dans l'écosystème concerné. Les chercheurs étudient comment rendre ces systèmes plus biodégradables.
"Ce n'est que la première étape, c'est pourquoi c'est si excitant", a déclaré Iyer. "Il y a tellement d'autres directions que nous pouvons prendre maintenant - comme développer des déploiements à plus grande échelle, créer des dispositifs qui peuvent changer de forme en tombant, ou même ajouter un peu plus de mobilité afin que les dispositifs puissent se déplacer une fois qu'ils sont au sol pour se rapprocher d'une zone qui nous intéresse."
Hans Gaensbauer, qui a effectué cette recherche alors qu'il était étudiant de premier cycle à l'UW et se spécialisait en génie électrique et informatique, et qui est maintenant ingénieur chez Gridware, est également coauteur. Cette recherche a été financée par le Moore Inventor Fellow, la National Science Foundation et une subvention de l'U.S. Air Force Office of Scientific Research.
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