Nature：灵感来源于蒲公英，科学家研发可监测环境的微型无线传感器

蒲公英只需要风轻轻吹过，就可将种子通过这种自然的方式实现传播。

（来源：Pixabay）

基于蒲公英播种的原理，美国华盛顿大学团队设计了一款微型传感器装置，当传感器在地面翻动时，便可像蒲公英那样被风吹走。

而且，维持这种传感器的能量并不需要电池，而是依靠太阳能。它们可被应用在数字农业监测环境的实时变化，例如土地的温度、湿度等。

（来源：华盛顿大学）

3 月 16 日，相关论文以《风力分散的无电池无线设备》（Wind dispersal of battery-free wireless devices）为题发表在 Nature 上[1]。

然而，监测环境变化的一个实际的问题是，监测目标区域范围广、面积大，如果想实时监测环境的变化，至少需要数百个传感器。由风执行“部署”传感器的任务，对人们来说，不仅节省了大量的时间还有人力资源、费用等。

该论文通讯作者、华盛顿大学保罗艾伦计算机科学与工程学院希亚姆·戈拉科塔（ Shyam Gollakota）教授对媒体表示，“这项技术对于部署传感器领域，是惊人的和变革性的。因为现在手动部署这么多传感器，可能需要几个月的时间。”

图丨风力分散的无电池无线设备（来源：Nature）

为确定这种传感器在风中传播的实地距离，研究人员做了专项测试，他们将传感器从不同的高度，手动或通过无人机扔下。

该微型传感器系统的约 1 毫克左右重量，根据研究人员测试，该系统在微风中可“传播”的距离为 50 米至 100 米。当该设备经风传播落地后，其可以容纳 4 个及以上数量的传感器，使用太阳能电池为其车载电子设备供电。并且，还可以对 60 米以内的传感器数据进行实时共享。

研究人员表示，从设计的角度来看这个传感器，保障它从落点展开设备的关键在于传感器的形状，以便它们能从各种角度都可被微风携带。

实际上，这种设计原理也和蒲公英种子传播类似。蒲公英在播种时，为确保植物长期在适宜的环境生长，因此它们具有不同形状，来实现达到被带到更远地方的目标。

图丨该团队尝试设计不同形状的传感器（来源：华盛顿大学）

这种设备的设计充满挑战，尤其是传感器既要具备电子功能，又必须保证可以像蒲公英那样质量轻盈，以利于在风中传播。为保证传感器各方面可实现最佳性能，该团队尝试设计最适宜的传感器形状，并尝试了 75 种不同的方案。

“蒲公英种子结构的工作方式是它们有一个中心点，这些小刷毛伸出来减缓它们的下落。我们对其进行了二维投影，为我们的结构创建了基础设计。”该论文第一作者、华盛顿大学艾伦学院的助理教授维克拉姆·艾耶 (Vikram Iyer) 说。

他补充说道：“当我们增加重量时，刷毛开始向内弯曲。我们添加了一个环形结构，使其更硬，并占用更多的面积来帮助减慢它的速度。”

（来源：华盛顿大学）

为了使传感器的质量更轻，研究人员放弃了传统的电池，而采用太阳能电池板为电子设备输送电源。根据研究人员观察，这些传感器的形状和结构与蒲公英种子的特性一致，在绝大多数的时间（95%），太阳能电池板能和蒲公英的传播类似，保持直立翻转以及落地。

既然是依靠太阳能供电，那么这种传感器的供电的条件也是科学家们必须考虑的限制条件。系统的再次启动需要电能供应，考虑到没有太阳的天气或者太阳下山后的情况，该团队还设计了一个电容器设备，用来在夜间或太阳能储能条件不加的情况储备电能。

该设备在监测到环境的变化数值后，通过反向散射将这些数据，用无线的方式将这些数据传输到研究人员。数据包括但不限于：测量温度、湿度、压力和光线等。

图丨风力分散机制（来源：Nature）

由于该设备依靠太阳能，因此太阳能相当于它工作的“开关”，当太阳落山或者太阳能量微弱时，该设备停止工作；而当具备太阳能时，该设备会再次启动，继续数据收集工作。

该传感器系统不采用传统电池的另一优势是，该设备没有任何东西会耗尽电量。也就是说，除非它产生物理故障，否则会一直运行。为此，研究人员也在加速探索，利于这些传感器可生物降解的科学途径。

艾耶表示，“我们现在可以采取许多其他方向，例如开发更大规模的部署，创建可以在坠落时改变形状的设备，甚至增加一些移动性，以便设备一旦在地面上就可以移动以靠近我们的目标区域。”

-End-

参考：
https://www.washington.edu/news/2022/03/16/battery-free-devices-float-in-wind-like-dandelion-seeds/
1.Iyer, V., Gaensbauer, H., Daniel, T.L. et al. Wind dispersal of battery-free wireless devices. Nature 603,427–433 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04363-9