受蒲公英启发：科研团队打造出可随风飘动的微小无线传感器

无线传感器可以监测温度、湿度或其他环境条件在大片土地如农场或森林上的变化。这些工具可以为各种应用提供独特的见解，包括数字农业和监测气候变化。然而一个问题是，目前在大片土地上放置数百个传感器既费时又费钱。

受到蒲公英如何利用风来传播它们的种子的启发，华盛顿大学的一个团队开发出了一种微小的传感器携带装置，当它翻滚着向地面移动时可以被风吹动。这个系统的重量约是1毫克蒲公英种子的30倍，但在适度的微风中仍可以飞行100米，大概是一个足球场的长度。一旦到达地面，这个可以容纳至少4个传感器的装置使用太阳能电池板为其机载电子设备供电且可以在60米以外分享传感器数据。

该团队最近在《自然》上发表了这些成果。

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“我们表明，你可以使用现成的组件来创造微小的东西。我们的原型表明，你可以使用无人机在一次投放中释放成千上万的这些设备。它们都会被风带得有些不同，基本上你可以用这一滴水创建一个1000个设备的网络，”这项研究的论文资深作者、华盛顿大学保罗G.艾伦计算机科学与工程学院教授Shyam Gollakota说道，“这对部署传感器的领域来说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。”

由于这些设备上有电子装置，所以要使整个系统像实际的蒲公英种子一样轻是有挑战性的。第一步是开发一种形状，从而使系统能慢慢地落到地上以便它能够被微风折腾。研究人员测试了75种设计以确定什么会导致最小的“终端速度”或设备在空中下落时的最大速度。

这项研究的论文第一作者、华盛顿大学艾伦学院的助理教授维Vikram Iyer表示：“蒲公英种子结构的工作方式是，它们有一个中心点和这些伸出来的小鬃毛来减缓它们的下落。我们对其进行了二维投影以为我们的结构创造了基础设计。随着我们增加重量，我们的刷子开始向内弯曲。我们添加了一个环形结构使其更加坚硬并占用更多的面积以帮助放慢它的速度。”

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为了保持轻盈，该团队使用太阳能电池板而不是沉重的电池来为电子装置供电。这些设备在降落时，95%的时间都是太阳能电池板朝上的。它们的形状和结构使它们能翻转并以类似于蒲公英种子的持续直立方向落下。

然而如果没有电池，该系统就不能储存电荷，这意味着太阳下山后，传感器停止工作。而当第二天早上太阳升起时，该系统又需要一点能量来启动。

“挑战在于，大多数芯片在你第一次打开时会在短时间内略微多消耗一些能量。在开始执行你写的代码之前，它们会检查以确保一切工作正常。当你打开你的手机或笔记本电脑时也会发生这种情况，当然它们有一个电池，”Iyer说道。

交接，该团队设计的电子产品包括一个电容器，这是一个可以在一夜之间储存一些电荷的装置。

“然后我们有这个小电路，它将测量我们储存了多少能量，一旦太阳升起就有更多的能量进入，（届时）它将触发系统的其他部分打开，因为它感觉到它超过了某些阈值，”Iyer说道。

这些设备通过使用反向散射--一种通过反射传输信号来发送信息的方法--来以无线的方式将传感器数据发回给研究人员。携带传感器的设备--测量温度、湿度、压力和光线--负责发送数据，直到日落时它们关闭。第二天早上，当这些设备自己重新打开时，数据收集又恢复了。

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为了测量这些设备在风中的移动距离，研究人员用手或校园里的无人机从不同的高度将它们放下。研究人员指出，将设备从单一的投放点分散开来的一个诀窍是，稍微改变它们的形状，这样它们被微风带走的方式就会有所不同。

论文共同作者、华盛顿大学生物学教授Thomas Danei指出：“这是在模仿生物学，变化实际上是一个特点，而不是一个错误。植物不能保证它们今年生长的地方明年会很好，所以它们有一些可以走得更远的种子来保值。”

无电池系统的另一个好处是，这个设备上没有任何东西会耗尽能量--设备会一直运行，直到它物理性地坏掉。这样做的一个缺点是，电子产品将散落在相关的生态系统中。研究人员正在研究如何使这些系统更具生物可降解性。

Iyer表示：“这只是第一步，而这就是它如此令人兴奋的原因。现在我们还有很多其他的方向可以选择--比如开发更大规模的部署以创造出可以在下落时改变形状的设备，或甚至增加一些移动性使设备在落地后可以移动以接近我们好奇的区域。”

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