無線傳感器可以監(jiān)測溫度、濕度或其他環(huán)境條件在大片土地如農(nóng)場或森林上的變化。這些工具可以為各種應(yīng)用提供獨特的見解，包括數(shù)字農(nóng)業(yè)和監(jiān)測氣候變化。然而一個問題是，目前在大片土地上放置數(shù)百個傳感器既費時又費錢。

受到蒲公英如何利用風(fēng)來傳播它們的種子的啟發(fā)，華盛頓大學(xué)的一個團(tuán)隊開發(fā)出了一種微小的傳感器攜帶裝置，當(dāng)它翻滾著向地面移動時可以被風(fēng)吹動。這個系統(tǒng)的重量約是1毫克蒲公英種子的30倍，但在適度的微風(fēng)中仍可以飛行100米，大概是一個足球場的長度。一旦到達(dá)地面，這個可以容納至少4個傳感器的裝置使用太陽能電池板為其機(jī)載電子設(shè)備供電且可以在60米以外分享傳感器數(shù)據(jù)。

該團(tuán)隊最近在《自然》上發(fā)表了這些成果。

“我們表明，你可以使用現(xiàn)成的組件來創(chuàng)造微小的東西。我們的原型表明，你可以使用無人機(jī)在一次投放中釋放成千上萬的這些設(shè)備。它們都會被風(fēng)帶得有些不同，基本上你可以用這一滴水創(chuàng)建一個1000個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，”這項研究的論文資深作者、華盛頓大學(xué)保羅G.艾倫計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院教授Shyam Gollakota說道，“這對部署傳感器的領(lǐng)域來說是驚人的和變革性的，因為現(xiàn)在手動部署這么多傳感器可能需要幾個月?！?/span>

由于這些設(shè)備上有電子裝置，所以要使整個系統(tǒng)像實際的蒲公英種子一樣輕是有挑戰(zhàn)性的。第一步是開發(fā)一種形狀，從而使系統(tǒng)能慢慢地落到地上以便它能夠被微風(fēng)折騰。研究人員測試了75種設(shè)計以確定什么會導(dǎo)致最小的“終端速度”或設(shè)備在空中下落時的最大速度。

這項研究的論文第一作者、華盛頓大學(xué)艾倫學(xué)院的助理教授維Vikram Iyer表示：“蒲公英種子結(jié)構(gòu)的工作方式是，它們有一個中心點和這些伸出來的小鬃毛來減緩它們的下落。我們對其進(jìn)行了二維投影以為我們的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了基礎(chǔ)設(shè)計。隨著我們增加重量，我們的刷子開始向內(nèi)彎曲。我們添加了一個環(huán)形結(jié)構(gòu)使其更加堅硬并占用更多的面積以幫助放慢它的速度?！?/p>

為了保持輕盈，該團(tuán)隊使用太陽能電池板而不是沉重的電池來為電子裝置供電。這些設(shè)備在降落時，95%的時間都是太陽能電池板朝上的。它們的形狀和結(jié)構(gòu)使它們能翻轉(zhuǎn)并以類似于蒲公英種子的持續(xù)直立方向落下。

然而如果沒有電池，該系統(tǒng)就不能儲存電荷，這意味著太陽下山后，傳感器停止工作。而當(dāng)?shù)诙煸缟咸柹饡r，該系統(tǒng)又需要一點能量來啟動。

“挑戰(zhàn)在于，大多數(shù)芯片在你第一次打開時會在短時間內(nèi)略微多消耗一些能量。在開始執(zhí)行你寫的代碼之前，它們會檢查以確保一切工作正常。當(dāng)你打開你的手機(jī)或筆記本電腦時也會發(fā)生這種情況，當(dāng)然它們有一個電池，”Iyer說道。

交接，該團(tuán)隊設(shè)計的電子產(chǎn)品包括一個電容器，這是一個可以在一夜之間儲存一些電荷的裝置。

“然后我們有這個小電路，它將測量我們儲存了多少能量，一旦太陽升起就有更多的能量進(jìn)入，（屆時）它將觸發(fā)系統(tǒng)的其他部分打開，因為它感覺到它超過了某些閾值，”Iyer說道。

這些設(shè)備通過使用反向散射--一種通過反射傳輸信號來發(fā)送信息的方法--來以無線的方式將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)回給研究人員。攜帶傳感器的設(shè)備--測量溫度、濕度、壓力和光線--負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到日落時它們關(guān)閉。第二天早上，當(dāng)這些設(shè)備自己重新打開時，數(shù)據(jù)收集又恢復(fù)了。

為了測量這些設(shè)備在風(fēng)中的移動距離，研究人員用手或校園里的無人機(jī)從不同的高度將它們放下。研究人員指出，將設(shè)備從單一的投放點分散開來的一個訣竅是，稍微改變它們的形狀，這樣它們被微風(fēng)帶走的方式就會有所不同。

論文共同作者、華盛頓大學(xué)生物學(xué)教授Thomas Danei指出：“這是在模仿生物學(xué)，變化實際上是一個特點，而不是一個錯誤。植物不能保證它們今年生長的地方明年會很好，所以它們有一些可以走得更遠(yuǎn)的種子來保值。”

無電池系統(tǒng)的另一個好處是，這個設(shè)備上沒有任何東西會耗盡能量--設(shè)備會一直運行，直到它物理性地壞掉。這樣做的一個缺點是，電子產(chǎn)品將散落在相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)中。研究人員正在研究如何使這些系統(tǒng)更具生物可降解性。

Iyer表示：“這只是第一步，而這就是它如此令人興奮的原因?，F(xiàn)在我們還有很多其他的方向可以選擇--比如開發(fā)更大規(guī)模的部署以創(chuàng)造出可以在下落時改變形狀的設(shè)備，或甚至增加一些移動性使設(shè)備在落地后可以移動以接近我們好奇的區(qū)域?！?/p>

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