Les capteurs flottants se répandent comme des graines de pissenlit

Les pissenlits ont évolué pour disperser leurs graines à plus d'un kilomètre dans les airs.

Des chercheurs de l'Université de Washington veulent donner aux capteurs ce type de distance, d'une manière qui prend en charge les applications agricoles et de surveillance de l'environnement.

Habituellement, ce n'est pas la meilleure idée de déposer de précieux capteurs sans fil depuis de grandes hauteurs. Dirigée par les professeurs Shyam Gollakota et Vikram Ayer, c'est exactement ce que l'équipe de l'UW a fait, en créant un minuscule dispositif porteur de capteurs qui peut être soufflé par le vent lorsqu'il tombe vers le sol.

Comme des graines de pissenlit, les capteurs flottent dans la brise. L'appareil, environ 30 fois plus lourd qu'une graine de pissenlit de 1 milligramme, peut parcourir jusqu'à 100 mètres par jour venteux.

Pour que les appareils restent légers et pour s'assurer que les capteurs atterrissent avec les panneaux solaires tournés vers le ciel, les ingénieurs de l'UW devaient imiter la forme du pissenlit.

"La façon dont les structures des graines de pissenlit fonctionnent est qu'elles ont un point central et ces petits poils qui dépassent pour ralentir leur chute. Nous avons pris une projection 2D de cela pour créer la conception de base de nos structures », a déclaré l'auteur principal Vikram Iyer, professeur adjoint UW à l'Allen School . "Au fur et à mesure que nous ajoutions du poids, nos poils ont commencé à se plier vers l'intérieur. Nous avons ajouté une structure en anneau pour le rendre plus rigide et occuper plus de surface pour aider à le ralentir."

Grâce au micro-usinage au laser, Iyer et l'équipe ont pu tester une variété de motifs et de tailles.

Les données des capteurs telles que la température, l'humidité, la pression et la lumière peuvent être partagées à une distance de 60 mètres. Les ingénieurs ont conçu les circuits et l'électronique légers et flexibles pour inclure un condensateur, un appareil qui stocke une partie de la charge pendant la nuit.

Au cours d'un test, un drone a largué des capteurs d'une hauteur de 20 mètres et a envoyé les capteurs à environ 100 mètres à travers un parking à proximité. (Voir la vidéo ci-dessous).

"Ce n'est que la première étape", a déclaré Iyer. "Il y a tellement d'autres directions que nous pouvons prendre maintenant - comme développer des déploiements à plus grande échelle, créer des appareils qui peuvent changer de forme lorsqu'ils tombent, ou même ajouter un peu plus de mobilité afin que les appareils puissent se déplacer une fois qu'ils sont au sol pour se rapprocher d'une zone qui nous intéresse."

Dans un court Q&A avec Tech Briefs ci-dessous, Iyer parle davantage des avantages et des inconvénients de l'envoi de capteurs, de type graine.

Fiches techniques :Qu'est-ce qui a inspiré le choix d'imiter le pissenlit ? (L'idée, en quelque sorte, de capteurs à diffusion dispersée me semble un peu contre-intuitive !)

Prof. Vikram Ayer :Si nous pensons à une graine de pissenlit d'un point de vue technique, elle a des capacités assez étonnantes. Ces petites plantes ne peuvent même pas bouger, mais elles ont évolué pour pouvoir laisser leurs graines se disperser jusqu'à un kilomètre dans de bonnes conditions. C'est exactement ce que nous aimerions faire pour automatiser le déploiement des réseaux de capteurs sans fil. Si nous voulons prendre des mesures de capteurs sur une très grande zone géographique pour effectuer une surveillance environnementale pour l'agriculture ou des études sur le changement climatique, cela peut prendre beaucoup de temps et être coûteux, voire dangereux dans certains endroits éloignés. Dans ce travail, nous nous inspirons plutôt des graines de pissenlit pour automatiser ce processus en créant des capteurs qui peuvent se disperser dans le vent.

Fiches techniques :Dans quelle mesure le chemin de dispersion du capteur peut-il être contrôlé ? Quels sont les avantages et les inconvénients d'envoyer le capteur "Seeds" un peu au hasard ?

Prof. Vikram Ayer :Pour obtenir une bonne couverture sur une zone, nous nous tournons à nouveau vers la nature. Les plantes ne peuvent pas garantir que l'endroit où elles ont grandi cette année sera bon l'année prochaine, et la variation naturelle entre les graines permet à certaines de voyager plus loin pour couvrir leurs paris. Nous adoptons la même approche et concevons toute une gamme de structures différentes qui flottent dans les airs pendant différentes périodes. Cela signifie que même dans les mêmes conditions de vent, nous pouvons nous assurer que certains d'entre eux atterrissent plus près et que d'autres voyagent plus loin pour obtenir une couverture uniforme sur une zone. Dans une prochaine étape, nous explorons les moyens de modifier la forme de ces structures en cours de vol pour obtenir un contrôle encore plus précis.

Fiches techniques :Ne serait-il pas important de connaître l'emplacement de chaque capteur ? Comment cela pourrait-il être fait ?

Prof. Vikram Ayer :Nous pouvons varier la conception des capteurs pour aider à obtenir une couverture uniforme sur une zone. Nous avons également montré plusieurs techniques de localisation sans fil avant celles que nous avons utilisées pour suivre les bourdons , assassiner des frelons , et de petits objets autour de la maison ou dans un hôpital que nous espérons intégrer à cette plateforme. Nous pouvons le faire en examinant des éléments tels que la force des signaux sans fil et en comparant les signaux que nous recevons sur plusieurs antennes pour déterminer l'angle par rapport au capteur et trianguler sa position.

Fiches techniques :Pour la rétrodiffusion, d'où viendrait le signal transmis ? Chaque capteur devrait-il être interrogé séparément ?

Prof. Vikram Ayer :Pour transmettre le signal et relire les données, nous construisons un point d'accès avec un émetteur et un récepteur radio, similaire à un routeur Wi-Fi. L'un des aspects intéressants de ce travail est que nous montrons qu'un seul point d'accès peut communiquer avec l'un de nos capteurs jusqu'à 60 mètres de distance, et nous le montrons avec des expériences utilisant des points d'accès au sol communiquant sur un terrain de football. Nous pourrions également utiliser un drone pour transporter cette même configuration pour lire les données, ou utiliser une configuration hybride avec des stations au sol et des drones en fonction du scénario de déploiement. Nous explorons plusieurs stratégies pour communiquer avec de nombreux capteurs, par exemple en tirant parti du fait qu'ils récoltent de l'énergie et démarreront à des moments différents, et en ajoutant également des temporisations pour s'assurer que leurs transmissions n'interfèrent pas. Nous pouvons également intégrer nos travaux antérieurs sur les protocoles de rétrodiffusion qui peut évoluer pour prendre en charge de nombreux appareils afin d'améliorer les performances dans les futures versions

Fiches techniques  :Pour quelles applications cette fonctionnalité est-elle la plus utile ?

Prof. Vikram Ayer :Cette technologie pourrait être utile pour toutes sortes d'applications de surveillance environnementale où vous souhaitez répartir les capteurs sur une grande surface. Par exemple pour l'agriculture de précision, la surveillance environnementale du changement climatique, en particulier les zones reculées et difficiles d'accès comme les forêts et les glaciers. Une autre partie importante de ce travail consiste à montrer comment nous pouvons concevoir ces minuscules dispositifs informatiques et de détection sans fil avec des dispositifs informatiques programmables à usage général. Cela permet à toute personne ayant une formation en informatique ou en ingénierie de s'appuyer sur notre système et de personnaliser la plate-forme centrale de calcul et de détection pour d'autres applications telles que les capteurs portables, les implants médicaux et les microrobots.

Fiches techniques  :Comment était-ce de tester cela, et qu'est-ce qui a été le plus mémorable lorsque vous l'avez testé ?

Prof. Vikram Ayer :L'une des caractéristiques vraiment intéressantes de l'émulation du design d'une graine de pissenlit est qu'elle tombe toujours avec le même côté vers le haut. Même si vous le laissez tomber à l'envers, vous pouvez le voir se retourner dans les airs pour se corriger. Ceci est en fait très important pour notre conception car cela garantit que nos cellules solaires sont orientées vers le haut et peuvent recueillir la lumière du soleil pour alimenter notre capteur sans batterie.

Fiches techniques  :Quelle est la prochaine étape ?

Prof. Vikram Ayer :En plus des choses mentionnées ci-dessus comme concevoir des moyens de changer la forme de la structure lorsqu'elle tombe, de la localiser sans fil et d'explorer des choses comme les matériaux biodégradables pour rendre ces appareils plus durables et les empêcher de polluer l'environnement, ce travail fait partie de notre vision plus large de créer l'Internet des choses bio-inspirées et biologiques. Plus précisément, il existe un écart assez important entre les systèmes biologiques et les capacités de l'IoT et des systèmes embarqués actuels, qui sont beaucoup plus gros et plus lourds et la plupart ne peuvent pas se déplacer. Au lieu de cela, imaginez si nous pouvons créer de minuscules appareils sans fil sans batterie qui peuvent se déplacer et flotter dans les airs comme des graines de pissenlit. Si nous pouvions faire cela, nous pourrions déployer des centaines de capteurs dans le vent dans des zones éloignées et difficiles d'accès comme les forêts, les glaciers. Ou si nous créons des capteurs sans fil si petits , nous pouvons également commencer à les attacher à de minuscules insectes comme les abeilles, les coléoptères et les frelons meurtriers nous pouvons ensuite utiliser ces capteurs pour étudier leur comportement dans la nature. Si nous pouvons aller plus loin en intégrant des actionneurs à ces capteurs sans fil, nous pouvons leur permettre de se déplacer librement et de construire des robots à l'échelle des insectes .

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