Nature：从蒲公英中获取灵感——像风一样自由的无电池无线器件

一、【导读】

随着气候危机继续加剧，在广阔的区域内跟踪温度、湿度和其他环境信号的变化是必要的。但要想有效地做到这一点，需要将数百个传感器分散到整个环境中，既耗时又昂贵。受蒲公英利用风播撒种子的启发，美国华盛顿大学的一个研究小组开发了一种携带传感器的微型装置，该装置可以随风飞舞，当它向地面降落时可以被风吹走，以帮助跟踪气候变化和全球变暖的关键指标。这个系统的重量大约是1 mg蒲公英种子的30倍，但仍然可以在微风中传播到100米远的地方，大约相当于一个足球场的长度。 

图源:华盛顿大学

二、【成果掠影】

近日，美国华盛顿大学的Vikram Iyer（第一作者兼通讯作者）和Shyamnath Gollakota（通讯作者）团队在Nature上发表文章，题为“Wind dispersal of battery-free wireless devices”。 Iyer和他的同事开发了一种能够在风中分散的无电池微型无线传感器设备。通过使用激光加工从聚酰亚胺薄膜中制造的器件。每个器件重约30 mg，直径28 mm，并带有一排小孔，空气可以通过这些小孔，使其像蒲公英种子一样漂浮在空中。这些装置带有微型传感器——本质上是一个由微型太阳能电池板供电的微型计算机——可以将信号发回给研究人员。Iyer和他的同事开发了不同类型的传感器，用于测量温度、湿度、压力和光线。为了模拟蒲公英种子的结构，研究人员对蒲公英种子进行了二维投影，研究小组总共测试了75种不同的设计。最终的设计可以在空气中以每秒0.87 m的速度移动，当无人机释放时，可以在微风中飞行100 m。实际测试表明，传感器可以将数据传输到60 m远的地方。

值得注意的是，太阳能是一种间歇性能源。如果没有电池，系统就无法存储电量，这意味着太阳下山后，传感器就会停止工作。关键的挑战在于，当第二天早上太阳升起时，系统需要一定的供能才能启动。为了解决这个问题，研究团队在传感器的电子元件中设计了一个微型电容器和微型电路。电容器用于储能，电路用于测量储存了多少能量。

本文的通讯作者Shyamnath Gollakota说道：“我们展示了你可以使用现成的组件来创建微小的东西。我们的原型表明，你可以用一架无人机在一次投放中释放数千个这样的设备。它们都将以稍微不同的方式被风携带，基本上你可以创建一个1000个设备的网络。这对于部署传感器领域来说是惊人的，具有革命性的意义，因为目前手动部署这么多传感器可能需要几个月的时间。”

三、【数据概览】

图1风力分散无电池的无线设备 ©2022 Springer Nature 

图2  风散机制 ©2022 Springer Nature  

图3  无电池无线传感器 ©2022 Springer Nature Limited

图4 户外评测 ©2022 Springer Nature Limited

四、【成果启示】

该项研究工作，展示了一种功能齐全、风力分散的无线传感系统，能够最大限度地减少系统重量，在低或可变光照条件下运行计算和传感设备阵列，并实现反向散射通信，可以在60米距离内以较小尺寸和外形进行操作。户外环境评估结果表明，这些设备可以在温和微风中移动50-100米。在自然系统中，个体器件形态差异导致一些器件落得更近，而另一些器件则传播得更远。与之类似，该项研究也展示了如何调节结构的孔隙率和直径，以实现器件间的分散变化。为此，有望助力于户外环境和现实世界传感应用。

文献链接：Wind dispersal of battery-free wireless devices. Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04363-9.

本文由纳米小白供稿。