민들레 씨앗처럼 퍼진 플로팅 센서

민들레는 씨앗을 공중에 1km 이상 퍼뜨리도록 진화했습니다.

워싱턴 대학의 연구원들은 농업 및 환경 모니터링 응용 프로그램을 지원하는 방식으로 센서에 이러한 종류의 거리를 제공하기를 원합니다.

일반적으로 귀중한 무선 센서를 높은 곳에서 떨어뜨리는 것은 좋은 생각이 아닙니다. 그러나 Shyam Gollakota 교수와 Vikram Ayer 교수가 이끄는 UW 팀은 땅을 향해 구르면서 바람에 날릴 수 있는 작은 센서 운반 장치를 만들었습니다.

민들레 씨앗처럼 센서는 바람에 둥둥 떠다닙니다. 1밀리그램 민들레 씨앗보다 약 30배 더 무거운 이 장치는 바람이 부는 날에는 최대 100미터를 이동할 수 있습니다.

장치를 밝게 유지하고 센서가 하늘을 향한 태양 전지판과 함께 착륙하도록 하기 위해 UW 엔지니어는 민들레 모양을 모방해야 했습니다.

“민들레 씨앗 구조가 작동하는 방식은 중심점이 있고 이 작은 강모가 튀어나와 떨어지는 것을 늦추는 것입니다. 우리는 구조물의 기본 디자인을 만들기 위해 2D 투영법을 사용했습니다."라고 주 저자 Vikram Iyer, Allen School . “무게를 추가함에 따라 강모가 안쪽으로 구부러지기 시작했습니다. 링 구조를 추가하여 더 단단하게 만들고 더 많은 면적을 차지하여 속도를 늦추었습니다.”

레이저 미세 가공을 통해 Iyer와 팀은 다양한 패턴과 크기를 테스트할 수 있었습니다.

온도, 습도, 기압, 빛과 같은 센서 데이터는 60미터 거리에서 공유할 수 있습니다. 엔지니어들은 밤새 일부 전하를 저장하는 장치인 커패시터를 포함하도록 가볍고 유연한 회로와 전자 제품을 설계했습니다.

한 테스트에서 드론은 20미터 높이에서 센서를 떨어뜨리고 인근 주차장을 가로질러 약 100미터를 보냈다. (아래 동영상 참조).

"이것은 단지 첫 번째 단계일 뿐입니다."라고 Iyer가 말했습니다. "지금 우리가 취할 수 있는 다른 방향이 너무 많습니다. 예를 들어 대규모 배포 개발, 낙하 시 모양이 변할 수 있는 장치 제작, 장치가 지상에 도착한 후 이동할 수 있도록 이동성을 추가하는 것 등이 있습니다. 우리가 궁금해하는 영역에 더 가까이 다가가세요.”

기술 요약이 포함된 짧은 Q&A 아래에서 Iyer는 시드 방식으로 센서를 보내는 것의 장점과 단점에 대해 자세히 설명합니다.

기술 개요 :민들레를 본떠서 선택한 동기는 무엇입니까? (일종의 산란 센서라는 개념은 저에게 약간 반직관적으로 느껴집니다!)

교수. 비크람 에이어 :공학적 관점에서 민들레 씨를 생각해보면 꽤 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 이 작은 식물은 움직일 수조차 없지만 올바른 조건에서 최대 1km까지 씨앗을 퍼뜨릴 수 있도록 진화했습니다. 이것이 바로 우리가 무선 센서 네트워크 배포를 자동화하기 위해 하고자 하는 것입니다. 농업 또는 기후 변화 연구를 위한 환경 모니터링을 수행하기 위해 매우 넓은 지역에서 센서 측정을 수행하려는 경우 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들며 일부 원격 위치에서는 위험할 수도 있습니다. 이 작업에서 우리는 바람에 흩어질 수 있는 센서를 만들어 이 프로세스를 자동화하기 위해 영감을 얻기 위해 민들레 씨앗을 대신 찾습니다.

기술 개요 :센서의 분산 경로를 얼마나 제어할 수 있습니까? 센서 "씨앗"을 무작위로 보내는 것의 장단점은 무엇입니까?

교수. 비크람 에이어 :한 지역을 잘 커버하기 위해 우리는 실제로 다시 자연을 바라봅니다. 식물은 올해 자란 곳이 내년에 좋을 것이라고 보장할 수 없으며 씨앗 사이의 자연적인 변화로 인해 일부는 베팅을 헤지하기 위해 더 멀리 여행할 수 있습니다. 우리는 동일한 접근 방식을 취하고 서로 다른 기간 동안 공중에 떠 있는 다양한 구조의 전체 배열을 설계합니다. 이는 동일한 바람 조건에서도 일부는 더 가까이 착륙하고 다른 일부는 더 멀리 이동하여 지역 전체에 균일한 적용 범위를 갖도록 할 수 있음을 의미합니다. 다음 단계로 우리는 비행 중에 이러한 구조의 모양을 변경하여 더 세밀하게 제어할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다.

기술 개요 :각 센서의 위치를 ​​아는 것이 중요하지 않을까요? 어떻게 그럴 수 있었나요?

교수. 비크람 에이어 :우리는 센서의 디자인을 변경하여 영역 전체에 균일한 적용 범위를 얻을 수 있습니다. 우리는 또한 꿀벌을 추적하는 데 사용하기 전에 무선 지역화를 위한 여러 기술을 보여주었습니다. , 살인 말벌 , 집 주변이나 병원 안의 작은 물건 이 플랫폼과 통합되기를 희망합니다. 무선 신호 강도와 같은 것을 보고 여러 안테나에서 수신한 신호를 비교하여 센서에 대한 각도를 파악하고 위치를 삼각 측량함으로써 이를 수행할 수 있습니다.

기술 개요 :후방 산란의 경우 전송된 신호는 어디에서 오는가? 각 센서를 별도로 조사해야 합니까?

교수. 비크람 에이어 :신호를 전송하고 데이터를 다시 읽기 위해 Wi-Fi 라우터와 유사한 무선 송신기 및 수신기로 액세스 포인트를 구축합니다. 이 작업의 멋진 점 중 하나는 단일 액세스 포인트가 최대 60m 떨어진 센서 중 하나와 통신할 수 있음을 보여주고 축구장을 가로질러 통신하는 지상의 액세스 포인트를 사용하는 실험으로 이를 보여줍니다. 또한 드론을 사용하여 이와 동일한 설정을 수행하여 데이터를 읽거나 배포 시나리오에 따라 지상 스테이션과 드론이 있는 하이브리드 설정을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 센서가 전력을 수확하고 다른 시간에 시작한다는 사실을 활용하고 전송이 방해받지 않도록 시간 지연을 추가하여 많은 센서와 통신하기 위한 여러 전략을 탐색합니다. 또한 후방 산란 프로토콜에 대한 이전 작업을 통합할 수도 있습니다. 향후 버전에서 향상된 성능을 위해 많은 장치를 지원하도록 확장할 수 있습니다.

기술 개요 :이 기능이 가장 유용한 애플리케이션은 무엇입니까?

교수. 비크람 에이어 :이 기술은 넓은 지역에 센서를 설치하려는 모든 종류의 환경 모니터링 애플리케이션에 유용할 수 있습니다. 예를 들어 정밀 농업의 경우 기후 변화에 대한 환경 모니터링, 특히 숲과 빙하와 같이 접근하기 어려운 외딴 지역. 이 작업의 또 다른 중요한 부분은 프로그래밍 가능한 범용 컴퓨팅 장치를 사용하여 이러한 소형 무선 컴퓨팅 및 감지 장치를 설계하는 방법을 보여주는 것입니다. 이를 통해 컴퓨터 과학 또는 엔지니어링 배경을 가진 사람이라면 누구나 당사 시스템을 구축하고 웨어러블 센서, 의료 임플란트 및 마이크로 로봇과 같은 다른 애플리케이션을 위한 핵심 컴퓨팅 및 감지 플랫폼을 사용자 정의할 수 있습니다.

기술 개요 :이것을 테스트하는 것은 어땠으며 테스트할 때 가장 기억에 남는 것은 무엇입니까?

교수. 비크람 에이어 :민들레 씨의 디자인을 에뮬레이션할 때 정말 멋진 기능 중 하나는 항상 같은 면이 위로 향하게 떨어지는 것입니다. 거꾸로 떨어뜨려도 공중에서 뒤집어져 스스로 보정되는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 태양 전지가 위를 향하도록 하고 배터리가 없는 센서에 전원을 공급하기 위해 햇빛을 수집할 수 있도록 하기 때문에 실제로 우리의 설계에 매우 중요합니다.

기술 개요 :다음은 무엇입니까?

교수. 비크람 에이어 :위에서 언급한 구조물이 떨어질 때 모양을 변경하고, 무선으로 위치를 파악하고, 이러한 장치를 보다 지속 가능하게 만들고 환경 오염을 방지하기 위해 생분해성 재료와 같은 것을 탐색하는 방법을 설계하는 것과 같은 위에서 언급한 것 외에도 이 작업은 일부입니다. 생체에서 영감을 받은 생물학적 사물의 인터넷을 만드는 우리의 더 넓은 비전에 대해 설명합니다. 특히, 생물학적 시스템과 훨씬 더 크고 무거워 대부분 이동할 수 없는 현재 IoT 및 임베디드 시스템의 기능 사이에는 상당한 격차가 있습니다. 대신, 우리가 이동할 수 있고 실제로 민들레 씨앗처럼 공중에 뜰 수 있는 배터리가 필요 없는 작은 무선 장치를 만들 수 있다고 상상해 보십시오. 그렇게 할 수 있다면 수백 개의 센서를 숲, 빙하와 같이 접근하기 어려운 외딴 지역의 바람에 배치할 수 있습니다. 또는 너무 작은 무선 센서를 만드는 경우 , 그런 다음 꿀벌, 딱정벌레 및 살인 말벌과 같은 작은 곤충에 부착할 수도 있습니다. 그러면 우리는 이 센서를 사용하여 야생에서의 행동을 연구할 수 있습니다. 액추에이터를 이러한 무선 센서와 통합하기 위해 한 걸음 더 나아갈 수 있다면 액추에이터가 자유롭게 움직이고 곤충 크기의 로봇을 만들 수 있습니다. .

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또한 민들레에서 영감을 받은 업적에 대한 "5 Ws"를 읽어보십시오.

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