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該研究的靈感來自普通蒲公英及其種子風傳播。

編輯｜感知芯視界

随風飄揚的普通蒲公英進化出一種巧妙的結構，以确保其種子可以傳播得更遠更廣。日前，華盛頓大學的一組研究人員将同樣的獨創性應用到可用于監測氣候變化的無線傳感器上。

圖源：華盛頓大學

這些微型設備的重量是 1 毫克蒲公英種子的 30 倍，當無人機釋放時，它們可以在微風中飛行 100 米。這一突破可以使部署能夠監測溫度、濕度、氣壓和光線等環境條件變化的傳感器變得更容易、更快、更便宜。

“我們展示了你可以使用現成的組件來創造微小的東西。我們的原型建議您可以使用無人機一次性釋放數千個此類設備。它們都會被風帶走，基本上你可以用這一滴水創建一個包含 1000 台設備的網絡，”資深作者、華盛頓大學保羅 G. 艾倫計算機科學與工程學院教授 Shyam Gollakota 解釋說。 “這對于部署傳感器領域來說是驚人的和變革性的，因為現在手動部署這麼多傳感器可能需要幾個月的時間。”

圖：研究人員測試了 75 種設計，以确定什麼會導緻最小的“終端速度”，或設備在空中墜落時的最大速度

工程師的第一步是設計出風散的最佳形狀。在測試了 75 個原型後，該團隊發現帶輻條的環形效果最好。

“蒲公英種子結構的工作方式是它們有一個中心點，這些小刷毛伸出來減緩它們的下落。我們對其進行了 2D 投影，為我們的結構創建了基礎設計，”主要作者、艾倫學院的華盛頓大學助理教授 Vikram Iyer 說。“當我們增加重量時，我們的刷毛開始向内彎曲。我們添加了一個環形結構，使其更加堅硬并占據更多區域以幫助減慢速度。

圖：該設備的闆載電子設備包括傳感器、用于過夜存儲電荷的電容器和用于運行系統的微控制器，所有這些都包含在柔性電路中

下一步是使設備盡可能輕。為了實現這一目标，研究人員使用太陽能電池闆代替重型電池為電子設備供電。使用太陽能的好處是傳感器不會突然用完電池，但缺點是沒有電池，系統無法存儲電量。為了解決這個問題，該團隊加入了一個電容器，讓傳感器可以在一夜之間儲存一些電荷，并在太陽下山後繼續工作。

“然後我們有了這個小電路，它可以測量我們儲存了多少能量，一旦太陽升起并且有更多能量進入，它會觸發系統的其餘部分打開，因為它會感應到它超過了某個阈值，” Iyer 繼續說道。

該系統的另一個缺點是電子設備将分散在自然界中。因此，研究人員目前正在研究如何使這些設備更易于生物降解。

“這隻是第一步，這就是它如此令人興奮的原因，” Iyer 說。“我們現在可以采取許多其他方向——例如開發更大規模的部署，制造可以在墜落時改變形狀的設備，甚至增加一些移動性，以便設備一旦落地就可以移動靠近我們好奇的區域。

部署後，這些設備可以容納至少四個傳感器，并且可以共享最遠 60 米以外的傳感器數據。為了測量這些設備在風中行進多遠，研究人員将它們從不同的高度扔下，無論是用手還是在校園裡用無人機。研究人員說，從一個落點展開設備的一個技巧是稍微改變它們的形狀，以便它們以不同的方式被微風攜帶。

“這是在模仿生物學，其中變異是一個特征，而不是一個錯誤，”共同作者、華盛頓大學生物學教授托馬斯丹尼爾評論道。“植物不能保證他們今年生長的地方明年會很好，所以他們有一些種子可以傳播到更遠的地方來對沖他們的賭注。”該研究發表在《自然》上。

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