タンポポの種のように広がるフローティングセンサー
タンポポは進化して、種子を1km以上空中に散布しました。
ワシントン大学の研究者は、農業および環境モニタリングのアプリケーションをサポートする方法で、そのような距離のセンサーを提供したいと考えています。
通常、貴重なワイヤレスセンサーを高所から落とすのは最善の方法ではありません。しかし、ShyamGollakota教授とVikramAyer教授が率いる、UWのチームはまさにそれを行い、風が地面に向かって転がるときに吹き飛ばすことができる小さなセンサー搭載デバイスを作成しました。
タンポポの種のように、センサーはそよ風に浮かんでいます。このデバイスは、1ミリグラムのタンポポの種の約30倍の重さで、風の強い日には最大100メートル移動できます。
デバイスを軽量に保ち、ソーラーパネルを上空に向けてセンサーを確実に着陸させるために、UWのエンジニアはタンポポの形を模倣する必要がありました。
「タンポポの種の構造が機能する方法は、中心点があり、これらの小さな剛毛が突き出て落下を遅くすることです。その2D投影を使用して、構造の基本設計を作成しました」と、アレンスクールのUW助教授である筆頭著者のVikram Iyer > 。 「体重を増やすと、剛毛が内側に曲がり始めました。リング構造を追加して剛性を高め、より多くの領域を占めるようにして速度を落としました。」
レーザーマイクロマシニングを使用すると、Iyerとチームはさまざまなパターンとサイズをテストできました。
温度、湿度、圧力、光などのセンサーデータは、60メートルの距離から共有できます。エンジニアは、一晩でいくらかの電荷を蓄えるデバイスであるコンデンサを含むように、軽量で柔軟な回路と電子機器を設計しました。
あるテストでは、ドローンが20メートルの高さからセンサーを落とし、近くの駐車場にセンサーを約100メートル送りました。 （以下のビデオを参照してください。
「これは最初の一歩に過ぎません」とIyer氏は述べています。 「現在、他にも多くの方向性があります。たとえば、大規模な展開の開発、落下時に形状を変更できるデバイスの作成、さらにはデバイスが地上に着いたら移動できるようにモビリティを追加するなどです。興味のあるエリアに近づきましょう。」
Tech Briefs との短いQ＆A 以下では、Iyerが、シードスタイルでセンサーを送信することの長所と短所について詳しく説明します。
技術概要 ：タンポポを模倣するという選択のきっかけは何ですか？ （ある種の散乱射撃センサーのアイデアは、私には少し直感に反しているように感じます！）
教授Vikram Ayer ：エンジニアリングの観点からタンポポの種を考えると、かなり驚くべき機能があります。これらの小さな植物は動くことさえできませんが、適切な条件で種子を最大1kmまで散布できるように進化しました。これはまさに、ワイヤレスセンサーネットワークの展開を自動化するために私たちがやりたいことです。農業や気候変動の研究のために環境モニタリングを行うために非常に広い地理的領域でセンサー測定を行いたい場合、これは非常に時間と費用がかかる可能性があり、一部の遠隔地では危険ですらあります。この作業では、代わりにタンポポの種にインスピレーションを得て、風に分散できるセンサーを作成することでこのプロセスを自動化します。
技術概要 ：センサーの分散経路はどのくらい制御できますか？センサーの「シード」をランダムに送信することの長所と短所は何ですか？
教授Vikram Ayer ：ある地域を十分にカバーするために、私たちは実際に再び自然に目を向けます。植物は、今年育った場所が来年良いものになることを保証できません。また、種子間の自然な変化により、一部の人は賭けをヘッジするために遠くに移動することができます。私たちは同じアプローチを取り、さまざまな期間空中に浮かぶさまざまな構造の配列全体を設計します。これは、同じ風の状態でも、あるエリアを均一にカバーするために、それらの一部がより近くに着陸し、他がより遠くに移動することを確認できることを意味します。次のステップとして、飛行中にこれらの構造の形状を変更して、よりきめ細かい制御を実現する方法を模索しています。
技術概要 ：各センサーの位置を知ることは重要ではないでしょうか？どうすればそれができますか？
教授Vikram Ayer ：センサーの設計を変更して、エリア全体を均一にカバーできるようにすることができます。また、マルハナバチを追跡するために使用する前に、ワイヤレスローカリゼーションの複数の手法を示しました 、オオスズメバチ 、および家の周りや病院内の小さな物体 このプラットフォームと統合したいと考えています。これを行うには、無線信号の強度などを調べ、複数のアンテナで得られる信号を比較して、センサーに対する角度を把握し、その位置を三角測量します。
技術概要 ：後方散乱の場合、送信信号はどこから来るのでしょうか？各センサーに個別に問い合わせる必要がありますか？
教授Vikram Ayer ：信号を送信してデータを読み戻すために、Wi-Fiルーターと同様に、無線送信機と受信機を備えたアクセスポイントを構築します。この作業のすばらしい点の1つは、単一のアクセスポイントが最大60m離れたセンサーの1つと通信できることを示し、サッカー場を越えて通信する地上のアクセスポイントを使用した実験でこれを示しています。また、ドローンを使用してこれと同じセットアップを実行してデータを読み取ることも、展開シナリオに応じて地上のステーションとドローンを備えたハイブリッドセットアップを使用することもできます。多くのセンサーと通信するための複数の戦略を検討します。たとえば、センサーが環境発電であり、異なる時間に起動するという事実を活用し、送信が干渉しないように時間遅延を追加します。後方散乱プロトコルに関する以前の作業を統合することもできます
技術概要 ：この機能はどのアプリケーションにとって最も価値がありますか？
教授Vikram Ayer ：このテクノロジーは、センサーを広範囲に分散させたいあらゆる種類の環境モニタリングアプリケーションに役立つ可能性があります。たとえば、精密農業の場合、気候変動の環境モニタリング、特に森林や氷河などの遠隔地で到達が困難な地域。この作業のもう1つの重要な部分は、プログラム可能な汎用コンピューティングデバイスを使用して、これらの小さなワイヤレスコンピューティングおよびセンシングデバイスを設計する方法を示すことです。これにより、コンピュータサイエンスまたはエンジニアリングのバックグラウンドを持っている人なら誰でも、システムを構築し、ウェアラブルセンサー、医療用インプラント、マイクロロボットなどの他のアプリケーション向けにコアコンピューティングおよびセンシングプラットフォームをカスタマイズできます。
技術概要 ：これをテストするのはどのようなものでしたか？また、これをテストしたときに最も印象に残ったものは何ですか？
教授Vikram Ayer ：タンポポの種のデザインをエミュレートすることの本当にクールな機能の1つは、常に同じ側を上に向けて落下することです。逆さまに落としても、空中でひっくり返って直しているのがわかります。これは、太陽電池が上を向き、太陽光を集めてバッテリー不要のセンサーに電力を供給できるようにするため、実際には設計にとって非常に重要です。
技術概要 ：次は？
教授Vikram Ayer ：構造物の落下時に構造の形状を変更する方法を設計し、ワイヤレスでローカライズし、生分解性材料などを探索して、これらのデバイスをより持続可能にし、環境を汚染しないようにするなどの上記のことに加えて、この作業は一部です生物に触発された生物学的なもののインターネットを作成するという私たちのより広いビジョンの。具体的には、生物学的システムと現在のIoTおよび組み込みシステムの機能との間にはかなり大きなギャップがあります。これらのシステムははるかに大きくて重く、ほとんどが動き回ることができません。代わりに、動き回ることができ、実際にタンポポの種のように空中に浮かぶことができる、バッテリー不要の小さなワイヤレスデバイスを作成できると想像してみてください。それができれば、森林や氷河など、手の届きにくい遠隔地に何百ものセンサーを風に当てることができます。または、非常に小さいワイヤレスセンサーを作成する場合 、その後、ミツバチ、カブトムシ、オオスズメバチなどの小さな昆虫に付着させることもできます 次に、これらのセンサーを使用して、野生での行動を研究できます。さらに一歩進んでアクチュエータをこれらのワイヤレスセンサーと統合できれば、アクチュエータを自由に動かして昆虫規模のロボットを構築できるようになります 。
どう思いますか？以下で質問やコメントを共有してください。
また：タンポポに触発された成果に関する「5W」をお読みください。
学ぶ 感知して検出する5つのハイテク素材
センサー