Sensor Mengambang Menyebar Seperti Biji Dandelion

Dandelion telah berevolusi untuk menyebarkan benihnya lebih dari satu kilometer di udara.

Para peneliti dari University of Washington ingin memberikan sensor jarak seperti itu, dengan cara yang mendukung aplikasi pemantauan pertanian dan lingkungan.

Biasanya bukan ide terbaik untuk menjatuhkan sensor nirkabel yang berharga dari ketinggian. Namun, dipimpin oleh Profesor Shyam Gollakota dan Vikram Ayer, tim di UW melakukan hal itu, menciptakan perangkat pembawa sensor kecil yang dapat tertiup angin saat jatuh ke tanah.

Seperti biji dandelion, sensor mengapung tertiup angin. Perangkat yang beratnya sekitar 30 kali berat biji dandelion 1 miligram ini dapat menempuh jarak hingga 100 meter pada hari yang berangin.

Agar perangkat tetap ringan dan untuk memastikan bahwa sensor mendarat dengan panel surya menghadap ke langit, para insinyur UW perlu meniru bentuk dandelion.

“Cara kerja struktur biji dandelion adalah bahwa mereka memiliki titik pusat dan bulu-bulu kecil ini mencuat untuk memperlambat kejatuhannya. Kami mengambil proyeksi 2D untuk membuat desain dasar untuk struktur kami,” kata penulis utama Vikram Iyer, asisten profesor UW di Allen School . “Saat kami menambah berat badan, bulu kami mulai menekuk ke dalam. Kami menambahkan struktur cincin untuk membuatnya lebih kaku dan mengambil lebih banyak area untuk membantu memperlambatnya.”

Dengan laser micromachining, Iyer dan tim dapat menguji berbagai pola dan ukuran.

Data sensor seperti suhu, kelembaban, tekanan, dan cahaya dapat dibagikan dari jarak 60 meter. Para insinyur merancang sirkuit dan elektronik yang ringan dan fleksibel untuk menyertakan kapasitor, perangkat yang menyimpan beberapa muatan dalam semalam.

Selama satu pengujian, sebuah drone menjatuhkan sensor dari ketinggian 20 meter dan mengirim sensor sekitar 100 meter melintasi tempat parkir terdekat. (Lihat video di bawah).

“Ini baru langkah pertama,” kata Iyer. “Ada begitu banyak arah lain yang dapat kita ambil sekarang — seperti mengembangkan penerapan skala besar, membuat perangkat yang dapat berubah bentuk saat jatuh, atau bahkan menambahkan lebih banyak mobilitas sehingga perangkat dapat bergerak begitu mereka berada di tanah untuk lebih dekat ke area yang membuat kami penasaran.”

Dalam T&J singkat dengan Ringkasan Teknologi di bawah ini, Iyer berbicara lebih banyak tentang keuntungan dan kerugian mengirim sensor, gaya benih.

Ringkasan Teknologi :Apa yang mengilhami pilihan untuk meniru dandelion? (Ide tentang, semacam, sensor pemecah hamburan terasa sedikit kontra-intuitif bagi saya!)

Prof. Vikram Ayer :Jika kita berpikir tentang biji dandelion dari sudut pandang teknik, ia memiliki beberapa kemampuan yang sangat menakjubkan. Tanaman kecil ini bahkan tidak bisa bergerak, tetapi mereka telah berevolusi untuk dapat membiarkan benihnya menyebar hingga satu kilometer dalam kondisi yang tepat. Inilah tepatnya yang ingin kami lakukan untuk mengotomatisasi penyebaran jaringan sensor nirkabel. Jika kita ingin melakukan pengukuran sensor di wilayah geografis yang sangat luas untuk melakukan pemantauan lingkungan untuk pertanian atau studi perubahan iklim, ini bisa sangat memakan waktu dan mahal, atau bahkan berbahaya di beberapa lokasi terpencil. Dalam karya ini, kami mencari benih dandelion sebagai inspirasi untuk mengotomatisasi proses ini dengan membuat sensor yang dapat menyebar tertiup angin.

Ringkasan Teknologi :Seberapa besar jalur penyebaran sensor dapat dikontrol? Apa keuntungan dan kerugian mengirimkan sensor “Benih” secara acak?

Prof. Vikram Ayer :Untuk mendapatkan cakupan yang baik di suatu daerah, kita sebenarnya melihat ke alam lagi. Tanaman tidak dapat menjamin bahwa di mana mereka tumbuh tahun ini akan menjadi baik tahun depan, dan variasi alami antara benih memungkinkan beberapa untuk melakukan perjalanan lebih jauh untuk melindungi taruhan mereka. Kami mengambil pendekatan yang sama dan merancang seluruh susunan struktur berbeda yang melayang di udara untuk periode waktu yang berbeda. Ini berarti bahwa bahkan dalam kondisi angin yang sama kita dapat memastikan beberapa dari mereka mendarat lebih dekat dan yang lain melakukan perjalanan lebih jauh untuk mendapatkan cakupan yang seragam di suatu area. Sebagai langkah selanjutnya, kami mencari cara untuk mengubah bentuk struktur ini di tengah penerbangan untuk mendapatkan kontrol yang lebih halus.

Ringkasan Teknologi :Bukankah penting untuk mengetahui lokasi setiap sensor? Bagaimana itu bisa dilakukan?

Prof. Vikram Ayer :Kami dapat memvariasikan desain sensor untuk membantu mendapatkan cakupan yang seragam di suatu area. Kami juga telah menunjukkan beberapa teknik untuk pelokalan nirkabel sebelumnya yang kami gunakan untuk melacak lebah , lebah pembunuh , dan benda-benda kecil di sekitar rumah atau di rumah sakit yang kami harap dapat berintegrasi dengan platform ini. Kita dapat melakukannya dengan melihat hal-hal seperti kekuatan sinyal nirkabel dan membandingkan sinyal yang kita dapatkan di beberapa antena untuk mengetahui sudut ke sensor dan melakukan triangulasi posisinya.

Ringkasan Teknologi :Untuk backscatter, dari mana sinyal yang ditransmisikan berasal? Apakah setiap sensor harus diinterogasi secara terpisah?

Prof. Vikram Ayer :Untuk mengirimkan sinyal dan membaca kembali data, kami membangun titik akses dengan pemancar dan penerima radio, mirip dengan router Wi-Fi. Salah satu hal keren tentang pekerjaan ini adalah kami menunjukkan bahwa satu titik akses dapat berkomunikasi dengan salah satu sensor kami hingga jarak 60m, dan kami menunjukkannya dengan eksperimen menggunakan titik akses di lapangan yang berkomunikasi melintasi lapangan sepak bola. Kami juga dapat menggunakan drone untuk melakukan pengaturan yang sama untuk membaca data, atau menggunakan pengaturan hybrid dengan stasiun di darat dan drone tergantung pada skenario penyebaran. Kami mengeksplorasi beberapa strategi untuk berkomunikasi dengan banyak sensor, misalnya dengan memanfaatkan fakta bahwa mereka sedang mengumpulkan daya dan akan memulai pada waktu yang berbeda, dan juga menambahkan penundaan waktu untuk memastikan transmisi mereka tidak mengganggu. Kami juga dapat mengintegrasikan pekerjaan kami sebelumnya pada protokol backscatter yang dapat ditingkatkan untuk mendukung banyak perangkat guna meningkatkan kinerja di versi mendatang

Ringkasan Teknologi :Untuk aplikasi apa kemampuan ini paling berharga?

Prof. Vikram Ayer :Teknologi ini dapat berguna untuk semua jenis aplikasi pemantauan lingkungan di mana Anda ingin menyebarkan sensor ke area yang luas. Misalnya untuk pertanian presisi, pemantauan lingkungan untuk perubahan iklim terutama daerah terpencil yang sulit dijangkau seperti hutan dan gletser. Bagian penting lainnya dari pekerjaan ini adalah kami menunjukkan bagaimana kami dapat merancang perangkat komputasi dan penginderaan nirkabel kecil ini dengan perangkat komputasi tujuan umum yang dapat diprogram. Hal ini memungkinkan siapa saja dengan latar belakang ilmu komputer atau teknik untuk membangun sistem kami dan menyesuaikan platform komputasi dan penginderaan inti untuk aplikasi lain seperti sensor yang dapat dikenakan, implan medis, dan robot mikro.

Ringkasan Teknologi :Bagaimana rasanya menguji ini, dan apa yang paling berkesan saat Anda mengujinya?

Prof. Vikram Ayer :Salah satu fitur yang sangat keren dari meniru desain biji dandelion adalah selalu jatuh dengan sisi yang sama menghadap ke atas. Bahkan jika Anda menjatuhkannya dari atas ke bawah, Anda dapat melihatnya terbalik di udara untuk memperbaiki dirinya sendiri. Ini sebenarnya sangat penting untuk desain kami karena memastikan bahwa sel surya kami menghadap ke atas dan dapat mengumpulkan sinar matahari untuk memberi daya pada sensor bebas baterai kami.

Ringkasan Teknologi :Apa selanjutnya?

Prof. Vikram Ayer :Selain hal-hal yang disebutkan di atas seperti merancang cara untuk mengubah bentuk struktur saat jatuh, melokalisasinya secara nirkabel, dan mengeksplorasi hal-hal seperti bahan yang dapat terurai secara hayati untuk membuat perangkat ini lebih berkelanjutan dan mencegahnya mencemari lingkungan, pekerjaan ini adalah bagian dari visi kami yang lebih luas untuk menciptakan Internet dari hal-hal yang terinspirasi dari hayati dan biologis. Secara khusus, ada kesenjangan yang cukup besar antara sistem biologis dan kemampuan IoT saat ini dan sistem tertanam, yang jauh lebih besar dan lebih berat dan sebagian besar tidak dapat bergerak. Sebaliknya, bayangkan, jika kita dapat membuat perangkat nirkabel kecil tanpa baterai yang dapat bergerak, dan bahkan mengapung di udara mirip dengan biji dandelion. Jika kami bisa melakukannya, kami bisa menyebarkan ratusan sensor angin di daerah terpencil yang sulit dijangkau seperti hutan, gletser. Atau jika kita membuat sensor nirkabel yang sangat kecil , lalu kita juga bisa mulai menempelkannya pada serangga kecil seperti lebah, kumbang, dan lebah pembunuh kemudian kita dapat menggunakan sensor ini untuk mempelajari perilaku mereka di alam liar. Jika kita dapat melangkah lebih jauh untuk mengintegrasikan aktuator dengan sensor nirkabel ini, kita dapat memungkinkan mereka untuk bergerak bebas dan membuat robot skala serangga .

Bagaimana menurutmu? Bagikan pertanyaan dan komentar Anda di bawah.

Juga:Baca "5 W" kami tentang pencapaian yang terinspirasi dandelion.

Pelajari tentang 5 Material Berteknologi Tinggi yang Merasakan dan Mendeteksi