민들레 씨앗 모방 풍산 센서: 원격 모니터링 혁신

민들레는 씨앗을 공중에서 1킬로미터 이상 분산시키도록 진화했습니다.

워싱턴 대학교 연구자들은 농업과 환경 모니터링 애플리케이션을 지원하는 방식으로 센서에 그런 종류의 거리를 주고 싶었습니다.

보통 귀중한 무선 센서를 높은 곳에서 떨어뜨리는 것은 좋은 생각이 아닙니다. 그러나 샤얌 골라코타(Shyam Gollakota)와 비크람 아이어(Vikram Ayer) 교수 주도의 UW 팀은 바로 그렇게 했습니다. 바람에 날리며 땅으로 떨어지는 작은 센서 탑재 장치를 만들었습니다.

민들레 씨앗처럼 센서는 바람 속에서 떠다닙니다. 1밀리그램 민들레 씨앗보다 약 30배 무거운 이 장치는 바람 부는 날 최대 100미터까지 이동할 수 있습니다.

장치를 가볍게 만들고 센서가 태양광 패널이 위를 향하도록 착지하게 하기 위해 UW 엔지니어들은 민들레 모양을 모방해야 했습니다.

"민들레 씨앗 구조 작동 방식은 중앙점이 있고 작은 털이 튀어나와 낙하를 늦춥니다. 우리는 그 2D 투영을 취해 우리 구조의 기본 설계를 만들었습니다."라고 주저자 비크람 아이어(UW 앨런 스쿨 조교수)는 말했습니다. "무게를 추가하자 털이 안쪽으로 구부러지기 시작했습니다. 더 단단하게 만들고 더 많은 면적을 차지하여 낙하를 늦추기 위해 링 구조를 추가했습니다."

레이저 미세가공으로 아이어와 팀은 다양한 패턴과 크기를 테스트할 수 있었습니다.

온도, 습도, 압력, 빛 같은 센서 데이터는 60미터 거리에서 공유될 수 있습니다. 엔지니어들은 하룻밤 사이 일부 전하를 저장하는 커패시터를 포함하도록 가볍고 유연한 회로와 전자장치를 설계했습니다.

한 테스트에서 드론이 20미터 높이에서 센서를 떨어뜨려 인근 주차장으로 약 100미터 보냈습니다. (아래 비디오 참조).

"이것은 첫걸음일 뿐입니다." 아이어는 말했습니다. "이제 우리가 취할 수 있는 방향이 너무 많습니다 — 대규모 배치 개발, 낙하 중 모양 변경 장치, 지상에 착지한 후 관심 영역에 더 가까이 이동할 수 있는 이동성 추가 등."

아래 Tech Briefs와의 짧은 Q&A에서 아이어는 센서 '씨앗'을 무작위로 뿌리는 것의 장단점에 대해 더 이야기합니다.

Tech Briefs: 민들레 모방 선택의 영감은 무엇인가요? (센서를 산탄총처럼 뿌리는 아이디어가 제게는 약간 직관적이지 않게 느껴집니다!)

비크람 아이어 교수: 공학적 관점에서 민들레 씨앗을 생각하면 꽤 놀라운 능력이 있습니다. 이 작은 식물들은 움직일 수 없지만, 적절한 조건에서 씨앗을 최대 1킬로미터까지 분산시키도록 진화했습니다. 이는 무선 센서 네트워크 배포 자동화를 위해 우리가 하고 싶은 것과 정확히 일치합니다. 농업이나 기후 변화 연구를 위해 매우 넓은 지리적 영역에서 센서 측정을 하고 싶다면, 이는 매우 시간 소모적이고 비싸거나 일부 원격 지역에서는 위험할 수 있습니다. 이 작업에서 우리는 대신 민들레 씨앗에서 영감을 얻어 바람 속에 센서를 분산시켜 이 과정을 자동화했습니다.

Tech Briefs: 센서 분산 경로를 얼마나 제어할 수 있나요? 센서 '씨앗'을 다소 무작위로 보내는 것의 장단점은 무엇인가요?

비크람 아이어 교수: 영역에 좋은 커버리지를 얻기 위해 우리는 다시 자연을 봅니다. 식물은 올해 자란 장소가 내년에도 좋을 것이라고 보장할 수 없으며, 씨앗 간의 자연적 변이는 일부가 더 멀리 이동하여 위험을 분산시키게 합니다. 우리는 같은 접근법을 취해 공중에서 다른 기간 동안 떠다니는 다양한 구조 어레이를 설계합니다. 이는 동일한 풍속 조건에서도 일부는 더 가깝게 착지하고 다른 일부는 더 멀리 이동하여 영역에 균일한 커버리지를 확보할 수 있게 합니다. 다음 단계로 우리는 더 세밀한 제어를 위해 낙하 중 구조 모양을 변경하는 방법을 탐구하고 있습니다.

Tech Briefs: 각 센서 위치를 아는 것이 중요하지 않나요? 어떻게 할 수 있나요?

비크람 아이어 교수: 센서 설계를 다양화하여 영역에 균일한 커버리지를 얻도록 도울 수 있습니다. 우리는 이전에 범블비 추적, 말벌 추적, 집이나 병원 주변 작은 물체 추적에 사용한 무선 위치 파악 기술을 여러 가지 보여주었습니다. 이 기술들을 이 플랫폼과 통합하길 희망합니다. 무선 신호 강도를 보고 여러 안테나에서 받은 신호를 비교하여 센서 각도를 파악하고 위치를 삼각측량할 수 있습니다.

Tech Briefs: 백스캐터에서 전송 신호는 어디에서 오나요? 각 센서를 개별적으로 조사해야 하나요?

비크람 아이어 교수: 신호를 전송하고 데이터를 읽기 위해 라디오 송수신기가 있는 액세스 포인트를 만듭니다. 와이파이 라우터와 유사합니다. 이 작업의 멋진 점 중 하나는 단일 액세스 포인트가 우리 센서 중 하나와 최대 60m 거리에서 통신할 수 있으며, 지상의 액세스 포인트가 축구장 건너편과 통신하는 실험으로 이를 보였다는 것입니다. 드론이 같은 설정을 운반하여 데이터를 읽거나, 배치 시나리오에 따라 지상 기지와 드론의 하이브리드 설정을 사용할 수도 있습니다. 많은 센서와 통신하기 위한 여러 전략을 탐구합니다. 예를 들어 전력 수확으로 인해 서로 다른 시간에 시작한다는 사실을 활용하고, 전송 간섭이 없도록 시간 지연을 추가합니다. 또한 향후 버전에서 성능 향상을 위해 많은 장치를 지원하도록 확장할 수 있는 백스캐터 프로토콜에 대한 이전 작업을 통합할 수도 있습니다.

Tech Briefs: 이 기능이 가장 가치 있는 응용 분야는 무엇인가요?

비크람 아이어 교수: 이 기술은 넓은 영역에 센서를 퍼뜨리고 싶은 모든 종류의 환경 모니터링 애플리케이션에 유용할 수 있습니다. 예를 들어 정밀 농업, 기후 변화를 위한 환경 모니터링, 특히 숲과 빙하 같은 원격하고 접근하기 어려운 지역. 이 작업의 또 다른 중요한 부분은 프로그래머블한 범용 컴퓨팅 장치로 이 작고 무선 컴퓨팅 및 센싱 장치를 설계하는 방법을 보여준다는 것입니다. 이는 컴퓨터 과학이나 공학 배경을 가진 누구나 우리 시스템을 기반으로 구축하고 다른 응용 분야(웨어러블 센서, 의료 임플란트, 마이크로로봇 등)를 위해 핵심 컴퓨팅 및 센싱 플랫폼을 맞춤화할 수 있게 합니다.

Tech Briefs: 테스트는 어땠고, 테스트할 때 가장 기억에 남는 것은 무엇이었나요?

비크람 아이어 교수: 민들레 씨앗 디자인을 모방하는 정말 멋진 기능 중 하나는 항상 같은 면이 위를 향하며 떨어진다는 것입니다. 거꾸로 떨어뜨려도 공중에서 뒤집혀 스스로 교정하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 우리 설계에 매우 중요합니다. 태양광 셀이 위를 향하게 하여 배터리 없는 센서에 햇빛을 모아 전력을 공급할 수 있도록 보장하기 때문입니다.

Tech Briefs: 다음 단계는 무엇인가요?

비크람 아이어 교수: 위에서 언급한 것들(낙하 중 구조 모양 변경 설계, 무선 위치 파악, 생분해성 소재로 장치를 더 지속 가능하게 만들고 환경 오염 방지) 외에도, 이 작업은 생물 영감 및 생물학적 사물 인터넷을 창조하려는 우리의 더 넓은 비전의 일부입니다. 구체적으로 현재 IoT와 임베디드 시스템의 능력과 생물학적 시스템 사이에는 꽤 큰 간극이 있습니다. 후자는 훨씬 크고 무겁고 대부분 움직일 수 없습니다. 대신, 우리가 공중에서 민들레 씨앗처럼 움직이고 떠다닐 수 있는 작고 배터리 없는 무선 장치를 만들 수 있다면 어떨까요? 그렇다면 원격하고 접근하기 어려운 지역(숲, 빙하)에 수백 개의 센서를 바람에 배치할 수 있습니다. 또는 무선 센서를 아주 작게 만들 수 있다면 벌, 딱정벌레, 말벌에 부착하여 야생에서의 행동을 연구할 수 있습니다. 한 단계 더 나아가 액추에이터를 이 무선 센서와 통합하면 자유롭게 움직일 수 있고 곤충 규모 로봇을 만들 수 있습니다.

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