Drahtlose Sensoren können überwachen, wie sich Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder andere Umweltbedingungen in großen Landstrichen, z. B. in landwirtschaftlichen Betrieben oder Wäldern, verändern.
Diese Instrumente könnten einzigartige Erkenntnisse für eine Vielzahl von Anwendungen liefern, darunter die digitale Landwirtschaft und die Überwachung des Klimawandels. Ein Problem besteht jedoch darin, dass es derzeit zeitaufwändig und teuer ist, Hunderte von Sensoren in einem großen Gebiet zu platzieren.
Inspiriert von der Art und Weise, wie der Löwenzahn den Wind nutzt, um seine Samen zu verbreiten, hat ein Team der University of Washington ein winziges sensorentragendes Gerät entwickelt, das vom Wind auf den Boden geweht werden kann. Dieses System ist etwa 30-mal so schwer wie ein 1-Milligramm-Löwenzahnsamen, kann aber bei einer mäßigen Brise bis zu 100 Meter weit fliegen, was etwa der Länge eines Fußballfeldes entspricht, von wo aus es von einer Drohne freigesetzt wurde. Auf dem Boden angekommen, nutzt das Gerät, das mindestens vier Sensoren aufnehmen kann, Solarzellen zur Stromversorgung seiner Bordelektronik und kann Sensordaten bis zu 60 Meter weit übertragen. Das Team veröffentlichte diese Ergebnisse in Nature.
"Wir zeigen, dass man mit handelsüblichen Komponenten winzige Dinge bauen kann. Unser Prototyp deutet darauf hin, dass man eine Drohne verwenden könnte, um Tausende dieser Geräte mit einem einzigen Tropfen freizusetzen. Sie werden alle ein wenig anders vom Wind getragen, und im Grunde genommen kann man mit diesem einen Tropfen ein Netzwerk mit 1.000 Geräten schaffen", sagte der Hauptautor Shyam Gollakota, ein UW-Professor an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. "Das ist erstaunlich und ein großer Fortschritt für den Einsatz von Sensoren, denn im Moment kann es Monate dauern, so viele Sensoren manuell zu installieren.
Da die Geräte Elektronik an Bord haben, ist es eine Herausforderung, das ganze System so leicht wie einen echten Löwenzahnsamen zu machen. Der erste Schritt bestand darin, eine Form zu entwickeln, die es dem System ermöglicht, langsam zu Boden zu fallen, so dass es von einer Brise herumgewirbelt werden kann. Die Forscher testeten 75 Designs, um festzustellen, welches die geringste "Endgeschwindigkeit", d. h. die maximale Geschwindigkeit, die ein Gerät beim Fallen durch die Luft haben würde, erreichen würde.
"Die Strukturen von Löwenzahnsamen funktionieren so, dass sie einen zentralen Punkt haben und diese kleinen Borsten herausragen, um ihren Fall zu verlangsamen. Wir haben eine 2D-Projektion davon genommen, um das Grunddesign für unsere Strukturen zu entwerfen", sagt der Hauptautor Vikram Iyer, ein UW-Assistenzprofessor an der Allen School. "Als wir das Gewicht erhöhten, begannen sich unsere Borsten nach innen zu biegen. Wir fügten eine Ringstruktur hinzu, um sie steifer zu machen und mehr Fläche einzunehmen, um sie zu verlangsamen.
Um die Geräte leicht zu halten, verwendete das Team Solarzellen anstelle einer schweren Batterie für die Stromversorgung der Elektronik. Die Geräte landeten zu 95 % der Zeit mit den Solarzellen nach oben gerichtet. Ihre Form und Struktur ermöglichen es ihnen, umzukippen und ähnlich wie ein Löwenzahnsamen in einer aufrechten Position zu landen.
Ohne eine Batterie kann das System jedoch keine Ladung speichern, was bedeutet, dass die Sensoren nach Sonnenuntergang nicht mehr funktionieren. Und wenn die Sonne am nächsten Morgen wieder aufgeht, braucht das System ein wenig Energie, um wieder in Gang zu kommen.
"Die Herausforderung besteht darin, dass die meisten Chips beim ersten Einschalten für kurze Zeit etwas mehr Strom verbrauchen", so Iyer. "Sie prüfen, ob alles richtig funktioniert, bevor sie den von Ihnen geschriebenen Code ausführen. Das passiert auch, wenn man sein Telefon oder seinen Laptop einschaltet, aber die haben natürlich eine Batterie."
Das Team hat die Elektronik so konzipiert, dass sie einen Kondensator enthält, ein Gerät, das über Nacht eine gewisse Ladung speichern kann. "Dann haben wir diesen kleinen Schaltkreis, der misst, wie viel Energie wir gespeichert haben, und sobald die Sonne aufgeht und mehr Energie hereinkommt, schaltet sich der Rest des Systems ein, weil es merkt, dass es über einem bestimmten Schwellenwert liegt", sagte Iyer.
Diese Geräte nutzen die Rückstreuung, eine Methode, bei der Informationen durch Reflexion der gesendeten Signale übertragen werden, um Sensordaten drahtlos an die Forscher zurückzusenden. Die Geräte mit Sensoren zur Messung von Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Licht sendeten Daten bis zum Sonnenuntergang, als sie sich ausschalteten. Die Datenerfassung wurde fortgesetzt, wenn sich die Geräte am nächsten Morgen wieder einschalteten.
Um zu messen, wie weit sich die Geräte im Wind fortbewegen würden, ließen die Forscher sie aus verschiedenen Höhen fallen, entweder von Hand oder mit einer Drohne auf dem Campus. Ein Trick, um die Geräte von einem einzigen Abwurfpunkt aus zu verteilen, besteht laut den Forschern darin, ihre Form leicht zu variieren, damit sie von der Brise unterschiedlich getragen werden.
"Dies ist eine Nachahmung der Biologie, in der die Variation eher ein Merkmal als ein Fehler ist", sagte Co-Autor Thomas Daniel, ein UW-Professor für Biologie. "Pflanzen können nicht garantieren, dass der Ort, an dem sie in diesem Jahr gewachsen sind, auch im nächsten Jahr gut sein wird, also haben sie einige Samen, die weiter weg wandern können, um sich abzusichern.
Ein weiterer Vorteil des batterielosen Systems besteht darin, dass dem Gerät nicht der Saft ausgeht - es läuft so lange, bis es physisch zusammenbricht. Ein Nachteil ist, dass die Elektronik über das gesamte Ökosystem verstreut ist. Die Forscher untersuchen, wie diese Systeme biologisch besser abbaubar gemacht werden können.
"Dies ist nur der erste Schritt, und deshalb ist es so aufregend", so Iyer. "Es gibt noch so viele andere Wege, die wir einschlagen können, wie z. B. die Entwicklung größerer Anlagen, die Entwicklung von Geräten, die ihre Form beim Fallen verändern können, oder sogar eine größere Mobilität, so dass die Geräte sich bewegen können, sobald sie auf dem Boden sind, um sich einem Gebiet zu nähern, das uns interessiert.
Hans Gaensbauer, der diese Forschung als UW-Student mit Schwerpunkt Elektro- und Computertechnik abgeschlossen hat und jetzt als Ingenieur bei Gridware arbeitet, ist ebenfalls ein Mitautor. Diese Forschung wurde durch den Moore Inventor Fellow Award, die National Science Foundation und einen Zuschuss des U.S. Air Force Office of Scientific Research finanziert.
Mehr Informationen:
https://www.washington.edu/news/2022/03/16/battery-free-devices-float-in-wind-like-dandelion-seeds/ [This is automatically translated from English]