Los sensores inalámbricos pueden monitorear cómo la temperatura, la humedad u otras condiciones ambientales varían en grandes extensiones de tierra, como granjas o bosques.
Estas herramientas podrían proporcionar información única para una variedad de aplicaciones, incluida la agricultura digital y el monitoreo del cambio climático. Sin embargo, un problema es que actualmente lleva mucho tiempo y es costoso colocar físicamente cientos de sensores en un área grande.
Inspirado en cómo los dientes de león usan el viento para distribuir sus semillas, un equipo de la Universidad de Washington ha desarrollado un pequeño dispositivo que lleva un sensor que puede ser arrastrado por el viento mientras cae hacia el suelo. Este sistema es unas 30 veces más pesado queuna semilla de diente de león de 1 miligramo, pero aún puede viajar hasta 100 metros con una brisa moderada, aproximadamente la longitud de un campo de fútbol, desde donde fue lanzada por un dron.Una vez en el suelo, el dispositivo, que puede contener al menos cuatro sensores, utiliza paneles solares para alimentar sus componentes electrónicos integrados y puede compartir datos de sensores a una distancia de hasta 60 metros.
El equipo publicó estos resultados el 16 de marzo en Naturaleza.
"Demostramos que puede usar componentes estándar para crear cosas diminutas. Nuestro prototipo sugiere que podría usar un dron para liberar miles de estos dispositivos en una sola gota. Todos serán llevados por el viento unun poco diferente, y básicamente puede crear una red de 1,000 dispositivos con esta sola gota ", dijo el autor principal Shyam Gollakota, profesor de la UW en la Escuela de Ciencias de la Computación e Ingeniería Paul G. Allen. "Esto es asombroso y transformador para el campo.de implementar sensores, porque en este momento podría llevar meses implementar manualmente tantos sensores".
Debido a que los dispositivos tienen componentes electrónicos a bordo, es un desafío hacer que todo el sistema sea tan liviano como una semilla de diente de león real. El primer paso fue desarrollar una forma que permitiera que el sistema se tomara su tiempo para caer al suelo para que pudieraser arrojado por una brisa. Los investigadores probaron 75 diseños para determinar qué conduciría a la "velocidad terminal" más pequeña, o la velocidad máxima que tendría un dispositivo al caer por el aire.
"La forma en que funcionan las estructuras de semillas de diente de león es que tienen un punto central y estas pequeñas cerdas que sobresalen para frenar su caída. Tomamos una proyección 2D de eso para crear el diseño base de nuestras estructuras", dijo el autor principal Vikram Iyer, profesor asistente de la Universidad de Washington en la Escuela Allen. "A medida que agregamos peso, nuestras cerdas comenzaron a doblarse hacia adentro. Agregamos una estructura de anillo para hacerlo más rígido y ocupar más área para ayudar a reducir la velocidad".
Para mantener las cosas ligeras, el equipo usó paneles solares en lugar de una batería pesada para alimentar los componentes electrónicos. Los dispositivos aterrizaron con los paneles solares en posición vertical el 95% del tiempo. Su forma y estructura les permiten voltearse y caer en unorientación consistentemente vertical similar a una semilla de diente de león.
Sin embargo, sin una batería, el sistema no puede almacenar una carga, lo que significa que después de que se pone el sol, los sensores dejan de funcionar. Y luego, cuando sale el sol a la mañana siguiente, el sistema necesita un poco de energía paraEmpezar.
"El desafío es que la mayoría de los chips consumen un poco más de energía durante un breve período de tiempo cuando los enciendes por primera vez", dijo Iyer. "Verificarán que todo funcione correctamente antes de comenzar a ejecutar el código que escribisteEsto también sucede cuando enciendes tu teléfono o tu computadora portátil, pero por supuesto que tienen batería".
El equipo diseñó la electrónica para incluir un capacitor, un dispositivo que puede almacenar algo de carga durante la noche.
"Entonces tenemos este pequeño circuito que medirá cuánta energía hemos almacenado y, una vez que salga el sol y entre más energía, hará que el resto del sistema se encienda porquesiente que está por encima de cierto umbral", dijo Iyer.
Estos dispositivos usan retrodispersión, un método que consiste en enviar información reflejando las señales transmitidas, para enviar de forma inalámbrica los datos de los sensores a los investigadores. Los dispositivos que llevan sensores, que miden la temperatura, la humedad, la presión y la luz, enviaron datos hasta la puesta del sol cuando se apagaron.La recopilación de datos se reanudó cuando los dispositivos se volvieron a encender a la mañana siguiente.
Para medir qué tan lejos viajarían los dispositivos con el viento, los investigadores los dejaron caer desde diferentes alturas, ya sea a mano o con un dron en el campus. Un truco para distribuir los dispositivos desde un solo punto de caída, dijeron los investigadores, esvariar sus formas ligeramente para que la brisa los lleve de manera diferente.
"Esto es una imitación de la biología, donde la variación es en realidad una característica, en lugar de un error", dijo el coautor Thomas Daniel, profesor de biología de la UW. "Las plantas no pueden garantizar que el lugar donde crecieron este año va aserá bueno el próximo año, para que tengan algunas semillas que puedan viajar más lejos para cubrir sus apuestas".
Otro beneficio del sistema sin batería es que no hay nada en este dispositivo que se quede sin energía; el dispositivo seguirá funcionando hasta que se descomponga físicamente. Una desventaja de esto es que los dispositivos electrónicos estarán dispersos en el ecosistema deinterés Los investigadores están estudiando cómo hacer que estos sistemas sean más biodegradables.
"Este es solo el primer paso, por eso es tan emocionante", dijo Iyer. "Hay tantas otras direcciones que podemos tomar ahora, como desarrollar implementaciones a mayor escala, crear dispositivos que puedan cambiar de forma a medida quecaer, o incluso agregar algo más de movilidad para que los dispositivos puedan moverse una vez que estén en el suelo para acercarse a un área que nos interese".
Hans Gaensbauer, quien completó esta investigación como estudiante universitario de la UW con especialización en ingeniería eléctrica e informática y ahora es ingeniero en Gridware, también es coautor. Esta investigación fue financiada por el premio Moore Inventor Fellow, la Fundación Nacional de Ciencias yuna subvención de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU..
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Washington. Original escrito por Sarah McQuate. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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