De minuscules appareils sans piles flottent dans le vent comme des graines de pissenlit

De minuscules appareils sans piles flottent dans le vent comme des graines de pissenlit

Inspirée par la façon dont les pissenlits utilisent le vent pour distribuer leurs graines, une équipe de l’Université de Washington a développé un minuscule dispositif porteur de capteurs qui peut être soufflé par le vent lorsqu’il tombe vers le sol. Cet appareil sans batterie utilise des panneaux solaires (rectangles noirs illustrés ici) pour alimenter son électronique embarquée. Crédit : Mark Stone/Université de Washington

Les capteurs sans fil peuvent surveiller la variation de la température, de l’humidité ou d’autres conditions environnementales sur de vastes étendues de terres, telles que des fermes ou des forêts.

Ces outils pourraient fournir des informations uniques pour une variété d’applications, y compris l’agriculture numérique et la surveillance du changement climatique. Un problème, cependant, est qu’il est actuellement long et coûteux de placer physiquement des centaines de capteurs sur une grande surface.

Inspirée par la façon dont les pissenlits utilisent le vent pour distribuer leurs graines, une équipe de l’Université de Washington a développé un minuscule dispositif porteur de capteurs qui peut être soufflé par le vent lorsqu’il tombe vers le sol. Ce système est environ 30 fois plus lourd qu’une graine de pissenlit de 1 milligramme mais peut encore parcourir jusqu’à 100 mètres dans une brise modérée, soit environ la longueur d’un terrain de football, d’où il a été lâché par un drone. Une fois au sol, l’appareil, qui peut contenir au moins quatre capteurs, utilise des panneaux solaires pour alimenter son électronique embarquée et peut partager les données des capteurs jusqu’à 60 mètres de distance.

L’équipe a publié ces résultats le 16 mars dans Nature.

“Nous montrons que vous pouvez utiliser des composants prêts à l’emploi pour créer de minuscules choses. Notre prototype suggère que vous pourriez utiliser un drone pour libérer des milliers de ces appareils en une seule goutte. Ils seront tous emportés par le vent un peu différemment. , et fondamentalement, vous pouvez créer un réseau de 1 000 appareils avec cette seule goutte », a déclaré l’auteur principal Shyam Gollakota, professeur à l’UW à la Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. “C’est incroyable et transformationnel pour le domaine du déploiement de capteurs, car à l’heure actuelle, cela pourrait prendre des mois pour déployer manuellement autant de capteurs.”






Parce que les appareils ont de l’électronique à bord, il est difficile de rendre l’ensemble du système aussi léger qu’une graine de pissenlit. La première étape consistait à développer une forme qui permettrait au système de prendre son temps pour tomber au sol afin qu’il puisse être secoué par une brise. Les chercheurs ont testé 75 conceptions pour déterminer ce qui conduirait à la plus petite “vitesse terminale”, ou la vitesse maximale qu’un appareil aurait en tombant dans les airs.

“La façon dont les structures de 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, un Professeur adjoint UW à l’école Allen. “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.”

Pour garder les choses légères, l’équipe a utilisé des panneaux solaires au lieu d’une batterie lourde pour alimenter l’électronique. Les appareils ont atterri avec les panneaux solaires tournés vers le haut 95% du temps. Leur forme et leur structure leur permettent de se retourner et de tomber dans une orientation toujours verticale semblable à une graine de pissenlit.

De minuscules appareils sans piles flottent dans le vent comme des graines de pissenlit

Inspirée par la façon dont les pissenlits utilisent le vent pour distribuer leurs graines, une équipe de l’Université de Washington a développé un minuscule dispositif porteur de capteurs qui peut être soufflé par le vent lorsqu’il tombe vers le sol. L’électronique embarquée de l’appareil comprend des capteurs, un condensateur pour stocker la charge pendant la nuit et un microcontrôleur pour faire fonctionner le système, le tout contenu dans un circuit flexible, illustré ici. Crédit : Mark Stone/Université de Washington

Sans batterie, cependant, le système ne peut pas stocker de charge, ce qui signifie qu’après le coucher du soleil, les capteurs cessent de fonctionner. Et puis quand le soleil se lève le lendemain matin, le système a besoin d’un peu d’énergie pour démarrer.

“Le défi est que la plupart des puces consomment un peu plus d’énergie pendant une courte période lorsque vous les allumez pour la première fois”, a déclaré Iyer. “Ils vérifieront que tout fonctionne correctement avant de commencer à exécuter le code que vous avez écrit. Cela se produit également lorsque vous allumez votre téléphone ou votre ordinateur portable, mais bien sûr, ils ont une batterie.”

L’équipe a conçu l’électronique pour inclure un condensateur, un appareil qui peut stocker une certaine charge pendant la nuit.

“Ensuite, nous avons ce petit circuit qui mesurera la quantité d’énergie que nous avons stockée et, une fois que le soleil se lèvera et qu’il y aura plus d’énergie entrante, il déclenchera l’activation du reste du système car il détecte que c’est au-dessus d’un certain seuil”, a déclaré Iyer.

Ces appareils utilisent la rétrodiffusion, une méthode qui consiste à envoyer des informations en réfléchissant les signaux transmis, pour renvoyer sans fil les données des capteurs aux chercheurs. Les appareils équipés de capteurs, mesurant la température, l’humidité, la pression et la lumière, envoyaient des données jusqu’au coucher du soleil lorsqu’ils s’éteignaient. La collecte de données a repris lorsque les appareils se sont rallumés le lendemain matin.

De minuscules appareils sans piles flottent dans le vent comme des graines de pissenlit

Inspirée par la façon dont les pissenlits utilisent le vent pour distribuer leurs graines, une équipe de l’Université de Washington a développé un minuscule dispositif de transport de capteurs sans pile qui peut être soufflé par le vent lorsqu’il tombe vers le sol. La première étape consistait à développer une forme qui permettrait au système de prendre son temps pour tomber au sol afin qu’il puisse être secoué par une brise. Les chercheurs ont testé 75 modèles (dont certains sont représentés ici en jaune) pour déterminer ce qui conduirait à la plus petite “vitesse terminale”, ou la vitesse maximale qu’un appareil aurait en tombant dans les airs. Crédit : Mark Stone/Université de Washington

Pour mesurer la distance parcourue par les appareils dans le vent, les chercheurs les ont lâchés à différentes hauteurs, soit à la main, soit par drone sur le campus. Selon les chercheurs, une astuce pour étaler les appareils à partir d’un seul point de chute consiste à varier légèrement leurs formes afin qu’ils soient portés différemment par la brise.

“Cela imite la biologie, où la variation est en fait une caractéristique plutôt qu’un bogue”, a déclaré le co-auteur Thomas Daniel, professeur de biologie à l’UW. “Les plantes ne peuvent pas garantir que l’endroit où elles ont grandi cette année sera bon l’année prochaine, elles ont donc des graines qui peuvent voyager plus loin pour couvrir leurs paris.”

Un autre avantage du système sans batterie est qu’il n’y a rien sur cet appareil qui manquera de jus – l’appareil continuera à fonctionner jusqu’à ce qu’il tombe physiquement en panne. Un inconvénient à cela est que l’électronique sera dispersée dans l’écosystème d’intérêt. Les chercheurs étudient comment rendre ces systèmes plus biodégradables.

“Ce n’est que la première étape, c’est pourquoi c’est si excitant”, 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.”

Hans Gaensbauer, qui a terminé cette recherche en tant qu’étudiant de premier cycle à l’UW avec une spécialisation en génie électrique et informatique et qui est maintenant ingénieur chez Gridware, est également co-auteur.


Les chercheurs utilisent des insectes volants pour larguer des capteurs depuis les airs et les atterrir en toute sécurité sur le sol


Plus d’information:
Vikram Iyer, Dispersion par le vent des appareils sans fil sans batterie, Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41586-021-04363-9. www.nature.com/articles/s41586-021-04363-9

Fourni par l’Université de Washington

Citation: De minuscules appareils sans batterie flottent dans le vent comme des graines de pissenlit (16 mars 2022) récupéré le 16 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-tiny-battery-free-devices-dandelion-seeds. html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.