タンポポ種子模倣の風散布センサーでリモート監視を実現

タンポポは種子を1キロメートル以上空中に散布するよう進化しました。

ワシントン大学の研究者たちは、農業・環境監視応用を支援する形で、センサーにそのような飛距離を与えたいと考えました。

通常、貴重な無線センサーを高所から落とすのは良いアイデアではありません。しかし、シャム・ゴラコタ教授とヴィクラム・アイヤー教授率いるUWチームは、まさにそれを実行し、風に吹かれながら地面に向かって回転落下する微小センサー搭載デバイスを作成しました。

タンポポの種子のように、センサーは風に漂います。1ミリグラムのタンポポ種子の約30倍の重さのこのデバイスは、風の強い日には放出地点から最大100メートル移動できます。

デバイスを軽く保ち、センサーが太陽電池パネルを上向きにして着地するよう確実にするため、UWエンジニアたちはタンポポの形状を模倣する必要がありました。

「タンポポ種子構造の仕組みは、中心点があり、小さな剛毛が突き出して落下を遅くしています。我々はその2D投影を取り、構造の基本設計としました」と、主著者のヴィクラム・アイヤー氏（UWアレンスクール助教授）。「重量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、より多くの面積を取って落下を遅くしました。」

レーザーマイクロマシニングで、アイヤー氏とチームは多様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を60メートルの距離から共有できます。エンジニアたちは、一晩分の電荷を蓄えるコンデンサを含む、軽量で柔軟な回路とエレクトロニクスを設計しました。

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投下し、近くの駐車場を約100メートル横断させました。（下記動画参照。）

「これはほんの第一歩です」とアイヤー氏。「今後、多くの方向性を取れます——大規模展開の開発、落下中に形状変化するデバイスの作成、着地後に関心領域に近づくための移動機能追加など。」

以下のTech Briefsとの短いQ&Aで、アイヤー氏がセンサー「種子」を散布する利点と欠点についてさらに語っています。

Tech Briefs：タンポポ模倣の着想は？（センサーをばらまくのは直感に反するように思えます！）

ヴィクラム・アイヤー教授：工学的視点でタンポポ種子を見ると、驚くべき能力があります。これらの小さな植物は動けませんが、適切な条件下では種子を最大1キロメートル散布できるよう進化しました。これは、無線センサーネットワークの自動展開を自動化するために我々が望むことそのものです。農業や気候変動研究で環境監視の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コストがかかり、一部の遠隔地では危険です。この研究では代わりに、タンポポ種子から着想を得て、風に乗って分散するセンサーを作ることでこのプロセスを自動化しました。

Tech Briefs：センサーの散布経路をどれくらい制御できる？「種子」をややランダムに撒く利点と欠点は？

ヴィクラム・アイヤー教授：エリアへの良好なカバレッジを得るため、また自然を見ています。植物は、今年育った場所が来年も良いとは保証できず、種子間の自然な変異により、一部はより遠くへ移動してリスクヘッジします。我々も同じアプローチを取り、空中滞在時間が異なる多様な構造アレイを設計します。これにより、同じ風条件でも一部は近くに、他は遠くに着地し、エリア全体に均一なカバレッジを得られます。次のステップとして、飛行中に構造形状を変化させ、さらに細かな制御を得る方法を探っています。

Tech Briefs：各センサーの位置を知ることは重要では？ どう実現する？

ヴィクラム・アイヤー教授：センサー設計を変えることでエリアへの均一カバレッジを得られます。また、マルチアンテナで受信した無線信号強度を比較し、センサーへの角度を特定して三角測量するなど、ハチドリハチの追跡、スズメバチスズメバチの追跡、家庭や病院の小物追跡小物追跡で使用してきた複数の無線ローカライゼーション技術を実証済みで、このプラットフォームと統合することを期待しています。

Tech Briefs：バック散乱通信では、送信信号はどこから？ 各センサーを個別にインタロゲートする必要がある？

ヴィクラム・アイヤー教授：信号送信とデータ読み取りのため、Wi-Fiルーターのような無線送受信機を持つアクセスポイントを構築します。この研究のクールな点の一つは、単一アクセスポイントが最大60m離れたセンサーと通信できることを、サッカーフィールド横断実験でグラウンド設置アクセスポイントで示したことです。ドローンで同じセットアップを運んでデータ読み取りも可能、地上局とドローンのハイブリッドも展開シナリオにより可能です。多数センサーとの通信には、電力収集で起動タイミングが異なることやタイムディレイ追加で干渉回避など、複数戦略を検討。バック散乱プロトコルバック散乱プロトコルを統合し、将来バージョンで多数デバイス対応をスケールアップ。

Tech Briefs：この能力が最も価値ある応用は？

ヴィクラム・アイヤー教授：大領域にセンサーを広げたい環境監視用途全般で有用。精密農業、気候変動環境監視、特に森林や氷河のような遠隔・到達困難エリア。また、プログラマブルな汎用コンピューティングデバイスで、微小ワイヤレスコンピューティング・センシングデバイスを設計できることを示しました。これにより、コンピューターサイエンス/エンジニアリングバックグラウンドを持つ誰でも、ウェアラブルセンサー、医療インプラント、マイクロロボットなど他応用向けにコアプラットフォームをカスタマイズ可能です。

Tech Briefs：テストはどうだった？ 最も印象的だったことは？

ヴィクラム・アイヤー教授：タンポポ種子設計を模倣する本当にクールな特徴の一つは、常に同じ面が上を向いて落下することです。逆さまに落としても、空中で反転して自己修正するのが見えます。これは設計上非常に重要で、太陽電池が上向きになり、バッテリーフリーセンサーに日光を集めさせることを保証します。

Tech Briefs：次のステップは？

ヴィクラム・アイヤー教授：上述のように落下中形状変化、無線ローカライゼーション、生分解性材料で持続可能性向上・環境汚染防止などに加え、この研究は「生物模倣・生物学的モノのインターネット」創造というより広いビジョンの一部です。具体的には、生物システムと現在のIoT/組み込みシステム能力の間にはかなり大きなギャップがあります。後者ははるかに大型・重量で、ほとんど動けません。代わりに、タンポポ種子のように空中に浮遊する微小バッテリーフリーワイヤレスデバイスが作れると想像してください。そうすれば、森林、氷河のような遠隔・到達困難エリアに数百個のセンサーを風で展開できます。あるいは、極めて微小なワイヤレスセンサーが作れれば極めて微小なワイヤレスセンサー、ハチ、甲虫、スズメバチスズメバチのような微小昆虫に取り付け、野生での行動研究に利用できます。さらに一歩進めてアクチュエーターを統合すれば、昆虫スケールロボット昆虫スケールロボットを構築できます。

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また：「タンポポ模倣達成の5つのW」をお読みください。

センシング・検知する5つのハイテク材料について学ぶ