Sensores flotantes esparcidos como semillas de diente de león

Los dientes de león han evolucionado para dispersar sus semillas a 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 admita aplicaciones agrícolas y de monitoreo ambiental.

Por lo general, no es la mejor idea dejar caer valiosos sensores inalámbricos desde grandes alturas. Dirigido por los profesores Shyam Gollakota y Vikram Ayer, el equipo de la UW, sin embargo, hizo exactamente eso, creando un pequeño dispositivo portador de sensores que puede ser arrastrado 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 livianos y garantizar que los sensores aterrizaran con los paneles solares mirando hacia el cielo, los ingenieros de UW necesitaban imitar la forma del diente de león.

“La forma en que funcionan las estructuras de semillas de diente de león es que tienen un punto central y estas pequeñas cerdas que sobresalen 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 la UW en la Escuela Allen . “A medida que agregamos peso, nuestras cerdas comenzaron a doblarse hacia adentro. Agregamos una estructura de anillo para que sea más rígido y ocupe más área para ayudar a reducir la velocidad”.

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

Los datos del sensor como la temperatura, la humedad, la presión y la luz se pueden compartir desde una distancia de 60 metros. Los ingenieros diseñaron los circuitos y la electrónica livianos y flexibles para incluir un capacitor, un dispositivo que almacena algo de carga durante la noche.

Durante una prueba, un dron dejó caer sensores desde una altura de 20 metros y envió los sensores unos 100 metros a través de un estacionamiento cercano. (Vea el video a continuación).

“Este es solo el primer paso”, dijo Iyer. “Hay tantas otras direcciones que podemos tomar ahora, como desarrollar implementaciones a mayor escala, crear dispositivos que puedan cambiar de forma a medida que caen, o incluso agregar más movilidad para que los dispositivos puedan moverse una vez que estén en el suelo para acercarnos a un área que nos interese”.

En una breve sesión de preguntas y respuestas con Tech Briefs a continuación, Iyer habla más sobre las ventajas y desventajas de enviar sensores, al estilo semilla.

Resúmenes técnicos :¿Qué inspiró la elección de imitar el diente de león? (¡La idea de sensores de disparo disperso me parece un poco contraria a la intuición!)

Profesor. Vikram Ayer :Si pensamos en una semilla de diente de león desde una perspectiva de ingeniería, tiene algunas capacidades bastante asombrosas. Estas pequeñas plantas 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 la implementación de redes de sensores inalámbricos. Si queremos tomar medidas de sensores en un área geográfica realmente grande para realizar un seguimiento ambiental para la agricultura o estudios de cambio climático, esto puede llevar mucho tiempo y ser costoso, o incluso peligroso en algunas ubicaciones remotas. En este trabajo, en cambio, buscamos inspiración en las semillas de diente de león para automatizar este proceso mediante la creación de sensores que pueden dispersarse en el viento.

Resúmenes técnicos :¿Cuánto se puede controlar la ruta de dispersión del sensor? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de enviar las "Semillas" del sensor de forma algo aleatoria?

Profesor. Vikram Ayer :Para obtener una buena cobertura sobre un área, en realidad volvemos a mirar a la naturaleza. Las plantas no pueden garantizar que el lugar donde crecieron este año vaya a ser bueno el próximo, y la variación natural entre las semillas les permite a algunas viajar más lejos para cubrir sus apuestas. Tomamos el mismo enfoque y diseñamos toda una serie de diferentes estructuras que flotan en el aire durante diferentes períodos de tiempo. Esto significa que, incluso con las mismas condiciones de viento, podemos asegurarnos de que algunos de ellos aterricen más cerca y otros viajen más lejos para obtener una cobertura uniforme en un área. Como próximo paso, estamos explorando formas en que podemos cambiar la forma de estas estructuras en pleno vuelo para obtener un control aún más detallado.

Resúmenes técnicos :¿No sería importante saber la ubicación de cada sensor? ¿Cómo se podría hacer eso?

Profesor. Vikram Ayer :Podemos variar el diseño de los sensores para ayudar a obtener una cobertura uniforme en un área. También mostramos múltiples técnicas para la localización inalámbrica antes de las que usamos para rastrear abejorros , avispones asesinos y objetos pequeños en la casa o en un hospital que esperamos integrar con esta plataforma. Podemos hacer esto observando cosas como la intensidad de las señales inalámbricas y comparando las señales que recibimos en varias antenas para determinar el ángulo del sensor y triangular su posición.

Resúmenes técnicos :Para la retrodispersión, ¿de dónde vendría la señal transmitida? ¿Debería interrogarse cada sensor por separado?

Profesor. 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 enrutador Wi-Fi. Una de las cosas interesantes de este trabajo es que mostramos que un solo punto de acceso puede comunicarse con uno de nuestros sensores a una distancia de hasta 60 m, y lo mostramos con experimentos que usan puntos de acceso en el suelo que se comunican 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 tierra y drones según el escenario de implementación. Exploramos múltiples estrategias para comunicarnos con muchos sensores, por ejemplo, aprovechando el hecho de que están recolectando energía y se iniciarán en diferentes momentos, y también agregando retrasos de tiempo para asegurarnos de que sus transmisiones no interfieran. También podemos integrar nuestro trabajo anterior sobre protocolos de retrodispersión que puede ampliarse para admitir muchos dispositivos para mejorar el rendimiento en versiones futuras

Resúmenes técnicos :¿Para qué aplicaciones es más valiosa esta capacidad?

Profesor. Vikram Ayer :Esta tecnología podría ser útil para todo tipo de aplicaciones de monitoreo ambiental en las que desee distribuir sensores en un área grande. Por ejemplo, para la agricultura de precisión, el monitoreo ambiental para el cambio climático, especialmente en áreas remotas y de difícil acceso como bosques y glaciares. Otra parte importante de este trabajo es que mostramos cómo podemos diseñar estos diminutos dispositivos informáticos y sensores inalámbricos con dispositivos informáticos programables de propósito general. Esto permite que cualquier persona con experiencia en ciencias de la computación o ingeniería pueda desarrollar nuestro sistema y personalizar la plataforma central de cómputo y detección para otras aplicaciones, como sensores portátiles, implantes médicos y microrobots.

Resúmenes técnicos :¿Cómo fue probar esto y qué fue lo más memorable cuando lo probaste?

Profesor. 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 dejas caer boca abajo, puedes verlo voltearse en el aire para corregirse. De hecho, esto es muy importante para nuestro diseño porque garantiza que nuestras células solares miren hacia arriba y puedan captar la luz solar para alimentar nuestro sensor sin batería.

Resúmenes técnicos :¿Qué sigue?

Profesor. Vikram Ayer :Además de las cosas mencionadas anteriormente, como diseñar formas de cambiar la forma de la estructura a medida que cae, localizarla de forma inalámbrica y explorar cosas como materiales biodegradables para hacer que estos dispositivos sean más sostenibles y evitar que contaminen el medio ambiente, este trabajo es parte de nuestra visión más amplia de crear la Internet de las cosas bioinspiradas y biológicas. Específicamente, existe una brecha bastante grande entre los sistemas biológicos y las capacidades del IoT actual y los sistemas integrados, que son mucho más grandes y pesados ​​y la mayoría no se puede mover. En cambio, imagínense si podemos crear pequeños dispositivos inalámbricos sin batería que puedan moverse y, de hecho, flotar en el aire de forma similar a las semillas de diente de león. Si pudiéramos hacer eso, podríamos desplegar cientos de sensores en el viento en áreas remotas y de difícil acceso como bosques, glaciares. O si creamos sensores inalámbricos tan pequeños , luego también podemos comenzar a adjuntarlos a pequeños insectos 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 permitirles moverse libremente y construir robots a escala de insectos .

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