Sensores Dispersados por Viento Imitan Semillas de Diente de León para Monitoreo Remoto

Los dientes de león han evolucionado para dispersar sus semillas más de un kilómetro en el aire.

Investigadores de la Universidad de Washington quieren dar a los sensores ese tipo de distancia, de una manera que apoye aplicaciones de monitoreo agrícola y ambiental.

Generalmente no es la mejor idea soltar sensores inalámbricos valiosos desde grandes alturas. Liderados por los Profesores Shyam Gollakota y Vikram Ayer, el equipo de UW, sin embargo, hizo exactamente eso, creando un diminuto dispositivo portador de sensores que puede ser soplado por el viento mientras cae hacia el suelo.

Como semillas de diente de león, los sensores flotan en la brisa. El dispositivo, unas 30 veces más pesado que una semilla de diente de león de 1 miligramo, puede viajar hasta 100 metros en un día ventoso.

Para mantener los dispositivos ligeros y asegurar que los sensores aterricen con los paneles solares hacia el cielo, los ingenieros de UW necesitaron imitar la forma del diente de león.

"La forma en que funcionan las estructuras de semilla de diente de león es que tienen un punto central y estas pequeñas cerdas saliendo para frenar su caída. Tomamos una proyección 2D de eso para crear el diseño base para nuestras estructuras", dijo el autor principal Vikram Iyer, profesor asistente de UW en la Escuela Allen . "A medida que agregábamos peso, nuestras cerdas comenzaron a doblarse hacia adentro. Agregamos una estructura de anillo para hacerlo más rígido y ocupar más área para ayudar a frenarlo."

Con micromecanizado láser, Iyer y el equipo pudieron probar una variedad de patrones y tamaños.

Datos de sensores como temperatura, humedad, presión y luz pueden compartirse a una distancia de 60 metros. Los ingenieros diseñaron los circuitos y electrónica ligeros y flexibles para incluir un capacitor, un dispositivo que almacena algo de carga durante la noche.

Durante una prueba, un dron soltó sensores desde una altura de 20 metros y envió los sensores unos 100 metros a través de un estacionamiento cercano. (Ver video abajo).

"Este es solo el primer paso", dijo Iyer. "Hay tantas otras direcciones que podemos tomar ahora —como desarrollar despliegues a mayor escala, crear dispositivos que puedan cambiar forma mientras caen, o incluso agregar algo más de movilidad para que los dispositivos puedan moverse una vez en el suelo para acercarse a un área que nos interesa."

En una breve P&R con Tech Briefs abajo, Iyer habla más sobre las ventajas y desventajas de enviar sensores estilo semilla.

Tech Briefs: ¿Qué inspiró la elección de imitar el diente de león? (¡La idea de, tipo, disparar sensores al azar se siente ligeramente contraintuitiva!)

Prof. Vikram Ayer: Si pensamos en una semilla de diente de león desde una perspectiva de ingeniería, tiene capacidades bastante asombrosas. Estas plantitas ni siquiera pueden moverse, pero han evolucionado para poder dejar que sus semillas se dispersen hasta un kilómetro en las condiciones adecuadas. Esto es exactamente lo que nos gustaría hacer para automatizar el despliegue de redes de sensores inalámbricos. Si queremos tomar mediciones de sensores sobre un área geográfica realmente grande para monitoreo ambiental para agricultura o estudios de cambio climático, esto puede ser muy consumidor de tiempo y costoso, o incluso peligroso en algunas ubicaciones remotas. En este trabajo en su lugar miramos a semillas de diente de león para inspiración para automatizar este proceso creando sensores que puedan dispersarse en el viento.

Tech Briefs: ¿Cuánto puede controlarse la ruta de dispersión del sensor? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de enviar las "Semillas" del sensor algo aleatoriamente?

Prof. Vikram Ayer: Para obtener buena cobertura sobre un área, en realidad miramos a la naturaleza de nuevo. Las plantas no pueden garantizar que donde crecieron este año vaya a ser bueno el próximo, y la variación natural entre semillas permite que algunas viajen más lejos para cubrir sus apuestas. Tomamos el mismo enfoque y diseñamos una gama completa de diferentes estructuras que flotan en el aire por diferentes períodos de tiempo. Esto significa que incluso en las mismas condiciones de viento podemos hacer que algunos aterricen más cerca y otros viajen más lejos para obtener cobertura uniforme sobre un área. Como siguiente paso, estamos explorando formas de cambiar la forma de estas estructuras en medio del vuelo para obtener control aún más fino.

Tech Briefs: ¿No sería importante saber la ubicación de cada sensor? ¿Cómo podría hacerse eso?

Prof. Vikram Ayer: Podemos variar el diseño de los sensores para ayudar a obtener cobertura uniforme sobre un área. También hemos mostrado múltiples técnicas para localización inalámbrica antes que hemos usado para rastrear abejorros , avispones asesinos , y objetos pequeños alrededor de la casa u hospital  que esperamos integrar con esta plataforma. Podemos hacer esto viendo cosas como la fuerza de señales inalámbricas y comparando las señales que obtenemos en múltiples antenas para averiguar el ángulo al sensor y triangular su posición.

Tech Briefs: Para retrodispersión, ¿de dónde vendría la señal transmitida? ¿Cada sensor tendría que ser interrogado por separado?

Prof. Vikram Ayer: Para transmitir la señal y leer los datos construimos un punto de acceso con un transmisor y receptor de radio, similar a un router Wi-Fi. Una de las cosas geniales de este trabajo es que mostramos que un solo punto de acceso puede comunicarse con uno de nuestros sensores hasta 60m de distancia, y mostramos esto con experimentos usando puntos de acceso en el suelo comunicando a través de un campo de fútbol. También podríamos usar un dron para llevar esta misma configuración para leer los datos, o usar una configuración híbrida con estaciones en el suelo y drones dependiendo del escenario de despliegue. Exploramos múltiples estrategias para comunicar con muchos sensores, por ejemplo aprovechando el hecho de que cosechan energía y se inician en diferentes momentos, y también agregando retardos de tiempo para asegurar que sus transmisiones no interfieran. También podemos integrar nuestro trabajo previo en protocolos de retrodispersión  que pueden escalar para soportar muchos dispositivos para mejor rendimiento en versiones futuras

Tech Briefs: ¿Para qué aplicaciones es esta capacidad más valiosa?

Prof. Vikram Ayer: Esta tecnología podría ser útil para todo tipo de aplicaciones de monitoreo ambiental donde quieras esparcir sensores sobre un área grande. Por ejemplo para agricultura de precisión, monitoreo ambiental para cambio climático especialmente áreas remotas, difíciles de alcanzar como bosques y glaciares. Otra parte importante de este trabajo es mostramos cómo podemos diseñar estos diminutos dispositivos de computación y sensado inalámbricos con dispositivos de computación programables de propósito general. Esto permite a cualquiera con formación en ciencias de computación o ingeniería construir sobre nuestro sistema y personalizar la plataforma central de computación y sensado para otras aplicaciones como sensores vestibles, implantes médicos, y microrobots.

Tech Briefs: ¿Cómo fue probar esto, y qué fue lo más memorable cuando lo probaron?

Prof. Vikram Ayer: Una de las características realmente geniales de emular el diseño de una semilla de diente de león es que siempre cae con el mismo lado hacia arriba. Incluso si lo sueltas boca abajo, puedes ver que se voltea en el aire para corregirse. Esto es realmente muy importante para nuestro diseño porque asegura que nuestras celdas solares miren hacia arriba y puedan reunir luz solar para alimentar nuestro sensor sin batería.

Tech Briefs: ¿Qué sigue?

Prof. Vikram Ayer: Además de las cosas mencionadas arriba como diseñar formas de cambiar la forma de la estructura mientras cae, localizarla inalámbricamente, y explorar cosas como materiales biodegradables para hacer estos dispositivos más sostenibles y prevenir que contaminen el ambiente, este trabajo es parte de nuestra visión más amplia de crear el Internet de cosas bio-inspiradas y biológicas. Específicamente, hay un hueco bastante grande entre sistemas biológicos y las capacidades de sistemas IoT y embebidos actuales, que son mucho más grandes y pesados y la mayoría no pueden moverse. En su lugar, imagina, si podemos crear diminutos dispositivos inalámbricos sin batería que puedan moverse, y de hecho floten en el aire similar a semillas de diente de león. Si pudiéramos hacer eso podríamos desplegar cientos de sensores en el viento en áreas remotas, difíciles de alcanzar como bosques, glaciares. O si creamos sensores inalámbricos tan pequeños , entonces también podemos empezar a adjuntarlos a insectos diminutos como abejas, escarabajos y avispones asesinos  entonces podemos usar estos sensores para estudiar su comportamiento en la naturaleza. Si podemos ir un paso más allá para integrar actuadores con estos sensores inalámbricos, podemos habilitarlos para moverse libremente y construir robots a escala de insectos .

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