Nature：從蒲公英中獲取靈感——像風一樣自由的無電池無線器件

一、【導讀】

隨著氣候危機繼續加劇，在廣闊的區域內跟蹤溫度、濕度和其他環境信號的變化是必要的。但要想有效地做到這一點，需要將數百個傳感器分散到整個環境中，既耗時又昂貴。受蒲公英利用風播撒種子的啟發，美國華盛頓大學的一個研究小組開發了一種攜帶傳感器的微型裝置，該裝置可以隨風飛舞，當它向地面降落時可以被風吹走，以幫助跟蹤氣候變化和全球變暖的關鍵指標。這個系統的重量大約是1?mg蒲公英種子的30倍，但仍然可以在微風中傳播到100米遠的地方，大約相當于一個足球場的長度。?

圖源:華盛頓大學

二、【成果掠影】

近日，美國華盛頓大學的Vikram Iyer（第一作者兼通訊作者）和Shyamnath Gollakota（通訊作者）團隊在Nature上發表文章，題為“Wind dispersal of battery-free wireless devices”。?Iyer和他的同事開發了一種能夠在風中分散的無電池微型無線傳感器設備。通過使用激光加工從聚酰亞胺薄膜中制造的器件。每個器件重約30 mg，直徑28 mm，并帶有一排小孔，空氣可以通過這些小孔，使其像蒲公英種子一樣漂浮在空中。這些裝置帶有微型傳感器——本質上是一個由微型太陽能電池板供電的微型計算機——可以將信號發回給研究人員。Iyer和他的同事開發了不同類型的傳感器，用于測量溫度、濕度、壓力和光線。為了模擬蒲公英種子的結構，研究人員對蒲公英種子進行了二維投影，研究小組總共測試了75種不同的設計。最終的設計可以在空氣中以每秒0.87 m的速度移動，當無人機釋放時，可以在微風中飛行100 m。實際測試表明，傳感器可以將數據傳輸到60 m遠的地方。

值得注意的是，太陽能是一種間歇性能源。如果沒有電池，系統就無法存儲電量，這意味著太陽下山后，傳感器就會停止工作。關鍵的挑戰在于，當第二天早上太陽升起時，系統需要一定的供能才能啟動。為了解決這個問題，研究團隊在傳感器的電子元件中設計了一個微型電容器和微型電路。電容器用于儲能，電路用于測量儲存了多少能量。

本文的通訊作者Shyamnath Gollakota說道：“我們展示了你可以使用現成的組件來創建微小的東西。我們的原型表明，你可以用一架無人機在一次投放中釋放數千個這樣的設備。它們都將以稍微不同的方式被風攜帶，基本上你可以創建一個1000個設備的網絡。這對于部署傳感器領域來說是驚人的，具有革命性的意義，因為目前手動部署這么多傳感器可能需要幾個月的時間。”

三、【數據概覽】

圖1風力分散無電池的無線設備??2022?Springer Nature?

圖2??風散機制 ?2022 Springer Nature ?

圖3??無電池無線傳感器 ?2022 Springer Nature Limited

圖4?戶外評測 ?2022 Springer Nature Limited

四、【成果啟示】

該項研究工作，展示了一種功能齊全、風力分散的無線傳感系統，能夠最大限度地減少系統重量，在低或可變光照條件下運行計算和傳感設備陣列，并實現反向散射通信，可以在60米距離內以較小尺寸和外形進行操作。戶外環境評估結果表明，這些設備可以在溫和微風中移動50-100米。在自然系統中，個體器件形態差異導致一些器件落得更近，而另一些器件則傳播得更遠。與之類似，該項研究也展示了如何調節結構的孔隙率和直徑，以實現器件間的分散變化。為此，有望助力于戶外環境和現實世界傳感應用。

文獻鏈接：Wind dispersal of battery-free wireless devices.?Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04363-9.

本文由納米小白供稿。