Capteurs dispersés par le vent imitant les graines de pissenlit pour la surveillance à distance

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 genre de distance, d'une manière qui soutient les applications de surveillance agricole et environnementale.

Habituellement, ce n'est pas la meilleure idée de laisser tomber de précieux capteurs sans fil de grandes hauteurs. Dirigée par les Professeurs Shyam Gollakota et Vikram Ayer, l'équipe de l'UW a pourtant fait exactement cela, créant un minuscule dispositif porteur de capteurs qui peut être soufflé par le vent alors qu'il culbute vers le sol.

Comme les graines de pissenlit, les capteurs flottent dans la brise. Le dispositif, environ 30 fois plus lourd qu'une graine de pissenlit de 1 milligramme, peut voyager jusqu'à 100 mètres par une journée venteuse.

Pour garder les dispositifs légers et s'assurer que les capteurs atterrissent avec les panneaux solaires face au ciel, les ingénieurs de l'UW ont dû imiter la forme du pissenlit.

« La façon dont les structures de graines de pissenlit fonctionnent est qu'elles ont un point central et ces petites soies qui sortent pour ralentir leur chute. Nous avons pris une projection 2D de cela pour créer le design de base pour nos structures », a déclaré l'auteur principal Vikram Iyer, professeur adjoint à l'Allen School . « En ajoutant du poids, nos soies ont commencé à se courber vers l'intérieur. Nous avons ajouté une structure en anneau pour la rendre plus rigide et occuper plus de surface pour l'aider à ralentir. »

Avec la micromécanisation laser, Iyer et l'équipe ont pu tester une variété de motifs et de tailles.

Les données des capteurs comme 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 dispositif qui stocke une certaine charge pendant la nuit.

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

« C'est juste la première étape », a dit Iyer. « Il y a tellement d'autres directions que nous pouvons prendre maintenant — comme développer des déploiements à plus grande échelle, créer des dispositifs qui peuvent changer de forme en tombant, ou même ajouter un peu plus de mobilité pour que les dispositifs puissent se déplacer une fois au sol pour se rapprocher d'une zone qui nous intéresse. »

Dans une courte Q&R avec Tech Briefs ci-dessous, Iyer parle plus des avantages et inconvénients d'envoyer des capteurs, style graines.

Tech Briefs : Qu'est-ce qui a inspiré le choix d'imiter le pissenlit ? (L'idée de, genre, tirer des capteurs au hasard me semble légèrement contre-intuitive !)

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

Tech Briefs : Dans quelle mesure le chemin de dispersion du capteur peut-il être contrôlé ? Quels sont les avantages et inconvénients d'envoyer les capteurs « graines » de manière quelque peu aléatoire ?

Prof. Vikram Ayer : Pour obtenir une bonne couverture sur une zone, nous regardons à nouveau la nature. Les plantes ne peuvent pas garantir que l'endroit où elles ont poussé 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 l'air pendant différentes périodes. Cela signifie que même dans les mêmes conditions de vent, nous pouvons nous assurer que certains atterrissent plus près et d'autres voyagent plus loin pour obtenir une couverture uniforme sur une zone. Comme prochaine étape, nous explorons des moyens de changer la forme de ces structures en plein vol pour obtenir un contrôle encore plus fin.

Tech Briefs : Ne serait-il pas important de connaître la localisation de chaque capteur ? Comment cela pourrait-il être fait ?

Prof. Vikram Ayer : Nous pouvons varier le design des capteurs pour aider à obtenir une couverture uniforme sur une zone. Nous avons également montré plusieurs techniques de localisation sans fil auparavant que nous avons utilisées pour suivre des bourdons , des frelons asiatiques , et de petits objets autour de la maison ou à l'hôpital  que nous espérons intégrer avec cette plateforme. Nous pouvons le faire en examinant des choses comme la force du signal sans fil et en comparant les signaux que nous obtenons sur plusieurs antennes pour déterminer l'angle vers le capteur et trianguler sa position.

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

Prof. Vikram Ayer : Pour transmettre le signal et lire les données, nous construisons un point d'accès avec un émetteur et un récepteur radio, similaire à un routeur Wi-Fi. L'une des choses cool de ce travail est que nous montrons qu'un seul point d'accès peut communiquer avec l'un de nos capteurs jusqu'à 60m de distance, et nous le montrons avec des expériences utilisant des points d'accès au sol communiquant à travers un terrain de football. Nous pourrions aussi 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 selon le 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 démarrent à des moments différents, et en ajoutant des délais temporels pour s'assurer que leurs transmissions n'interfèrent pas. Nous pouvons également intégrer notre travail antérieur sur les protocoles de rétrodiffusion  qui peuvent s'étendre pour supporter de nombreux dispositifs pour une performance améliorée dans les versions futures.

Tech Briefs : Pour quelles applications cette capacité est-elle la plus précieuse ?

Prof. Vikram Ayer : Cette technologie pourrait être utile pour toutes sortes d'applications de surveillance environnementale où vous voulez étaler des capteurs sur une grande zone. Par exemple pour l'agriculture de précision, la surveillance environnementale pour le changement climatique, surtout les zones reculées et difficiles d'accès comme les forêts et les glaciers. Une autre partie importante de ce travail est que nous montrons comment nous pouvons concevoir ces minuscules dispositifs de calcul et de détection sans fil avec des dispositifs de calcul universels programmables. Cela permet à quiconque ayant un background en informatique ou en ingénierie de construire sur notre système et de personnaliser la plateforme de calcul et de détection de base pour d'autres applications comme les capteurs portables, les implants médicaux et les microrobots.

Tech Briefs : À quoi ressemblait le test, et quel a été le moment le plus mémorable lors du test ?

Prof. Vikram Ayer : L'une des caractéristiques vraiment cool de l'émulation du design d'une graine de pissenlit est qu'elle tombe toujours du même côté face vers le haut. Même si vous la laissez tomber à l'envers, vous pouvez la voir se retourner en plein vol pour se corriger. C'est en fait très important pour notre design car cela assure que nos cellules solaires font face vers le haut et peuvent capter la lumière du soleil pour alimenter notre capteur sans batterie.

Tech Briefs : Quelle est la suite ?

Prof. Vikram Ayer : En plus des choses mentionnées ci-dessus comme concevoir des moyens de changer la forme de la structure pendant qu'elle tombe, la localiser sans fil, et explorer des choses comme des matériaux biodégradables pour rendre ces dispositifs plus durables et les empêcher de polluer l'environnement, ce travail fait partie de notre vision plus large de créer l'Internet des objets bio-inspirés et biologiques. Spécifiquement, il y a un fossé assez important entre les systèmes biologiques et les capacités des systèmes IoT et embarqués actuels, qui sont beaucoup plus grands et plus lourds et la plupart ne peuvent pas bouger. Imaginez plutôt, si nous pouvons créer de minuscules dispositifs sans fil sans batterie qui peuvent bouger, et en fait flotter dans l'air comme des graines de pissenlit. Si nous pouvions faire cela, nous pourrions déployer des centaines de capteurs dans le vent dans des zones reculées et difficiles d'accès comme les forêts, les glaciers. Ou si nous créons des capteurs sans fil si petits , alors nous pouvons aussi commencer à les attacher à de minuscules insectes comme les abeilles, les coléoptères et les frelons asiatiques  puis nous pouvons utiliser ces capteurs pour étudier leur comportement dans la nature. Si nous pouvons aller plus loin pour intégrer des actionneurs avec ces capteurs sans fil, nous pouvons leur permettre de bouger librement et de construire des robots à l'échelle des insectes .

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