Los sensores inalámbricos pueden controlar cómo varían la temperatura, la humedad u otras condiciones ambientales en grandes extensiones de terreno, como granjas o bosques.
Estas herramientas podrían aportar información única para diversas aplicaciones, como la agricultura digital y la vigilancia del cambio climático. Sin embargo, uno de los problemas es que en la actualidad colocar físicamente cientos de sensores en una gran superficie es un proceso largo y costoso.
Inspirándose en el modo en que los dientes de león utilizan el viento para distribuir sus semillas, un equipo de la Universidad de Washington ha desarrollado un diminuto dispositivo portador de sensores que puede ser arrastrado por el viento mientras cae hacia el suelo. Este sistema es unas 30 veces más pesado que una semilla de diente de león de un miligramo, pero puede recorrer hasta 100 metros con una brisa moderada, aproximadamente la longitud de un campo de fútbol, desde el lugar en el que fue liberado por un dron. Una vez en el suelo, el dispositivo, que puede albergar al menos cuatro sensores, utiliza paneles solares para alimentar su electrónica de a bordo y puede compartir los datos de los sensores hasta 60 metros de distancia. El equipo publicó estos resultados en Nature.
"Demostramos que se pueden utilizar componentes estándar para crear objetos diminutos. Nuestro prototipo sugiere que se podría utilizar un dron para lanzar miles de estos dispositivos en una sola gota. Todos serán transportados por el viento de forma un poco diferente y, básicamente, se puede crear una red de 1.000 dispositivos con esta única gota", afirma el autor principal, Shyam Gollakota, profesor de la UW en la Facultad de Ciencias de la Computación e Ingeniería Paul G. Allen. "Esto es asombroso y transformador para el campo del despliegue de sensores porque ahora mismo podría llevar meses desplegar manualmente esta cantidad de sensores".
Dado que los dispositivos llevan electrónica a bordo, es un reto hacer que todo el sistema sea tan ligero como una semilla de diente de león real. El primer paso fue desarrollar una forma que permitiera que el sistema se tomara su tiempo para caer al suelo y pudiera ser zarandeado por la brisa. Los investigadores probaron 75 diseños para determinar cuál era el que permitía obtener la menor "velocidad terminal", es decir, la velocidad máxima que tendría un dispositivo al caer por el aire.
"Las estructuras de las semillas de diente de león tienen un punto central y unas pequeñas cerdas que frenan su caída. Tomamos una proyección en 2D de eso para crear el diseño base de nuestras estructuras", dijo el autor principal, Vikram Iyer, profesor asistente de la UW en la Escuela Allen. "A medida que añadíamos peso, nuestras cerdas empezaban a doblarse hacia dentro. Añadimos una estructura en forma de anillo para hacerla más rígida y ocupar más superficie para ayudar a frenarla".
Para mantener la ligereza, el equipo utilizó paneles solares en lugar de una pesada batería para alimentar la electrónica. Los dispositivos aterrizaron con los paneles solares en posición vertical el 95% del tiempo. Su forma y estructura les permiten volcarse y caer en una orientación vertical constante, similar a la de una semilla de diente de león.
Sin embargo, sin una batería, el sistema no puede almacenar una carga, lo que significa que cuando el sol se pone, los sensores dejan de funcionar. Y cuando sale el sol a la mañana siguiente, el sistema necesita un poco de energía para ponerse en marcha.
"El reto es que la mayoría de los chips consumen algo más de energía durante un breve periodo de tiempo cuando se encienden por primera vez", explica Iyer. "Comprobarán que todo funciona correctamente antes de empezar a ejecutar el código que has escrito. Esto también ocurre cuando enciendes tu teléfono o tu portátil, pero claro, tienen batería".
El equipo diseñó la electrónica para incluir un condensador, un dispositivo que puede almacenar algo de carga durante la noche. "Luego tenemos un pequeño circuito que mide la cantidad de energía que hemos almacenado y, una vez que sale el sol y entra más energía, activa el resto del sistema para que se encienda porque detecta que está por encima de algún umbral", explica Iyer.
Estos dispositivos utilizan la retrodispersión, un método que consiste en enviar información reflejando las señales transmitidas, para enviar de forma inalámbrica los datos de los sensores a los investigadores. Los dispositivos con sensores -que miden la temperatura, la humedad, la presión y la luz- enviaron datos hasta la puesta de sol, cuando se apagaron. La recogida de datos se reanudaba cuando los dispositivos se volvían a encender a la mañana siguiente.
Para medir la distancia que recorrían los dispositivos con el viento, los investigadores los dejaron caer desde diferentes alturas, bien a mano o con un dron en el campus. Un truco para repartir los dispositivos desde un mismo punto de caída, según los investigadores, es variar ligeramente sus formas para que la brisa los arrastre de forma diferente.
"Esto imita a la biología, donde la variación es en realidad una característica, en lugar de un error", dijo el coautor Thomas Daniel, profesor de biología de la UW. "Las plantas no pueden garantizar que el lugar donde han crecido este año vaya a ser bueno el próximo, así que tienen algunas semillas que pueden viajar más lejos para cubrir sus apuestas".
Otra ventaja del sistema sin pilas es que no hay nada en este dispositivo que se quede sin energía: el aparato seguirá funcionando hasta que se rompa físicamente. Una de las desventajas es que los componentes electrónicos estarán dispersos por el ecosistema de interés. Los investigadores están estudiando cómo hacer que estos sistemas sean más biodegradables.
"Esto es sólo el primer paso, por eso es tan emocionante", dijo Iyer. "Hay muchas otras direcciones que podemos tomar ahora, como el desarrollo de despliegues a mayor escala, la creación de dispositivos que puedan cambiar de forma a medida que caen, o incluso la adición de algo más de movilidad para que los dispositivos puedan moverse una vez que están en el suelo para acercarse a un área sobre la que tenemos curiosidad".
Hans Gaensbauer, que realizó esta investigación como estudiante de la UW en la especialidad de ingeniería eléctrica e informática y que ahora es ingeniero en Gridware, es también coautor. Esta investigación ha sido financiada por el premio Moore Inventor Fellow, la National Science Foundation y una subvención de la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos.
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