Sensores inalámbricos: pequeños dispositivos sin batería flotan en el viento como semillas de diente de león

Sensores inalámbricos: pequeños dispositivos sin batería flotan en el viento como semillas de diente de león


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 colocar físicamente cientos de sensores en un área grande actualmente requiere mucho tiempo y es costoso.

Inspirándose en cómo los dientes de león usan el viento para dispersar sus semillas, un equipo de la Universidad de Washington ha creado un pequeño dispositivo que lleva un sensor que puede ser arrastrado por el viento si cae al suelo. Este sistema pesa aproximadamente 30 veces el peso de una 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 tierra, el dispositivo, que puede albergar al menos cuatro sensores, utiliza paneles solares para alimentar su electrónica a bordo y puede intercambiar datos de sensores a una distancia de hasta 60 metros.

El equipo publicó estos resultados el 16 de marzo en Naturaleza.

“Demostramos que se pueden hacer cosas diminutas a partir de componentes disponibles comercialmente. Nuestro prototipo sugiere que podría usar un dron para liberar miles de estos dispositivos en una sola caída. Todos son llevados por el viento de manera un poco diferente, y básicamente puedes crear una red de 1,000 dispositivos con esa gota”, dijo el autor principal Shyam Gollakota, profesor de la Universidad de Washington en la Escuela de Ciencias e Ingeniería Informática Paul G. Allen. «Esto es sorprendente y transformador para el campo de la implementación de sensores, porque en este momento podría llevar meses implementar manualmente tantos sensores».

Debido a que los dispositivos tienen componentes electrónicos a bordo, hacer que todo el sistema sea tan liviano como una verdadera semilla de diente de león es un desafío. El primer paso fue crear una forma que permitiera que el sistema se tomara su tiempo para caer al suelo para que pudiera ser arrojado con una brisa. Los investigadores probaron 75 diseños para determinar qué daría como resultado la «velocidad terminal» más pequeña o la velocidad máxima que tendría un dispositivo al caer por el aire.

«Las estructuras de semillas de diente de león funcionan al tener un punto central y estas pequeñas cerdas que sobresalen para frenar su caída. Hicimos una proyección 2D de esto 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 curvarse hacia adentro. Agregamos una estructura de anillo para hacerlo más rígido y ocupar más área para reducir la velocidad».

Para mantener las cosas ligeras, el equipo usó paneles solares en lugar de una batería pesada para alimentar la electrónica. Los dispositivos terminaron con los paneles solares en posición vertical el 95% del tiempo. Su forma y estructura les permiten rodar y caer en una orientación vertical constante, como una semilla de diente de león.

Sin embargo, sin una batería, el sistema no puede almacenar una carga, lo que significa que los sensores dejan de funcionar después de que se pone el sol. Y cuando sale el sol a la mañana siguiente, el sistema necesita algo de energía para ponerse en marcha.

«El desafío es que la mayoría de los chips consumen un poco más de energía durante un corto tiempo cuando los enciendes por primera vez», dijo Iyer. “Verifican que todo funcione correctamente antes de comenzar a ejecutar el código que has escrito. Esto también sucede cuando enciendes tu teléfono o computadora portátil, pero por supuesto que tienen batería”.

El equipo diseñó la electrónica para incluir un condensador, un dispositivo que puede almacenar algo de carga durante la noche.

«Entonces tenemos este pequeño circuito que mide cuánta energía hemos almacenado, y tan pronto como salga el sol y entre más energía, hará que el resto del sistema se encienda porque detecta que está por encima de un cierto umbral.» dijo Iyer.

Estos dispositivos utilizan retrodispersión, un método que envía información al reflejar las señales transmitidas, para enviar de forma inalámbrica los datos del sensor a los investigadores. Los dispositivos con 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 continuó cuando los dispositivos se volvieron a encender a la mañana siguiente.

Para medir qué tan lejos volarían 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 dispersar los dispositivos desde un solo punto de caída, dicen los investigadores, es variar ligeramente sus formas para que la brisa los lleve de manera diferente.

«Esto imita la biología, donde la variación es en realidad un rasgo en lugar de un defecto», dijo el coautor Thomas Daniel, profesor de biología de la UW. «Las plantas no pueden garantizar que el lugar donde crecieron este año sea bueno el próximo, por lo que tienen algunas semillas que pueden viajar más lejos para cubrir sus apuestas».

Otra ventaja del sistema sin batería es que este dispositivo nunca se agota: el dispositivo sigue funcionando hasta que se rompe físicamente. Una desventaja de hacer esto es que la electrónica se dispersará por todo el ecosistema de interés. Los investigadores están investigando cómo estos sistemas pueden hacerse más biodegradables.

«Es solo el primer paso, por eso es tan emocionante», dijo Iyer. «Hay tantas otras direcciones que podemos tomar ahora, como diseñar implementaciones más grandes, diseñar dispositivos que puedan cambiar de forma si se caen, o incluso agregar un poco más de movilidad para que los dispositivos puedan moverse». acercarse a un área por la que tengamos curiosidad”.

Inspirándose en cómo los dientes de león usan el viento para dispersar sus semillas, un equipo de la Universidad de Washington ha creado un pequeño dispositivo que lleva un sensor que puede ser arrastrado por el viento si cae al suelo. Este dispositivo sin batería utiliza paneles solares (aquí se muestran rectángulos negros) para alimentar sus componentes electrónicos integrados. Mark Stone/Universidad de Washington

Inspirándose en cómo los dientes de león usan el viento para dispersar sus semillas, un equipo de la Universidad de Washington ha creado un pequeño dispositivo que lleva un sensor, sin batería, que puede ser arrastrado por el viento si cae al suelo. El primer paso fue crear una forma que permitiera que el sistema se tomara su tiempo para caer al suelo para que pudiera ser arrojado con una brisa. Los investigadores probaron 75 diseños (algunos de los cuales se muestran aquí en amarillo) para determinar cuál resultaría en la «velocidad terminal» más pequeña o la velocidad máxima que tendría un dispositivo al caer por el aire. Mark Stone/Universidad de Washington

Hans Gaensbauer, quien completó esta investigación como estudiante 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 y una subvención de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.

El artículo anterior fue publicado originalmente por la Universidad de Washington.


 

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