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IoT 无需电池!3D 打印传感器,塑料瓶能联网,拧瓶盖即可提供动力

51CTO 2020-10-20 15:08:17

本文转自雷锋网,如需转载请至雷锋网官网申请授权。

我们的目标是,不使用电池或任何电子元器件,3D 打印无线传感器,输入可以与智能手机和其他 WiFi 设备进行通信的物体。

这种对于物联网的新设想,来自于美国华盛顿大学副教授 Shyam Gollakota 和两位在读博士生 Vikram Iyer 和 Justin Chan。

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据 IEEE 网站报道,早在 2017 年三人就公布了最初的研究成果,论文题为 3D printing wireless connected objects(3D 打印无线连接的设备),Vikram Iyer 和 Justin Chan 为共同一作。

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那么,没有了电池加持,物联网靠什么实现万物相连呢?

三人给出的答案是:塑料。

反向散射技术

首先需要解释一个词:「反向散射」(backscattering)。

物理学中,反向散射指波、粒子等从它们来的方向反射回去,它在天文学、摄影和医学超声检查中有着广泛应用,我们都听过名字的雷达系统背后的基本原理也正是反向散射。

引申一下,这个词还能理解为,设备自身不产生信号,只是反射传输过来的信号,从而达到通信目的。

此前,市场研究公司 Gartner 曾发布了未来 5 年将出现的十大无线通信技术趋势,其中有我们并不陌生的 WiFi、5G、V2X(无线车联网)、长距离无线充电等,也包括了反向散射技术。

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据了解,反向散射技术可以以非常低的功耗发送数据,对于物联网设备的应用有一定的意义。

实际上华盛顿大学一直以来在这项技术上颇有建树,比如:

  • 实现了几种无线通信协议之间的通信;

  • 设计出了几乎零功耗的设备,其数据传输距离最高可达 2.8 千米;

  • 开发出了无需插电的视频流方案,等等。

最为值得一提的是,2014 年一组来自华盛顿大学的研究团队实现了一种无电池芯片(battery-less chips),这种芯片传输比特的两种方式是:反射或不反射 WiFi 路由器的信号。通过这样的反向散射,设备实现通信只需通过调制其在空间中对 WiFi 信号的反射。

「塑料物联网」

而 Shyam Gollakota 教授三人的研究正是以这种无电池芯片为基础展开的。

据 IEEE 报道,WiFi 反向散射系统面临的一大挑战在于——需要多种电子元器件(主要包括能够在反射和非反射状态间切换的 RF 开关、控制开关从而编码适当数据的数字逻辑、以及对所有电子部件供电的电源/采集器)。

而三人研究最大的创新点就在于,将 WiFi 反向散射技术与 3D 打印技术相结合,通过商用 3D 打印机创造了无线设备,再用塑料丝将其集成到一个单一的可计算设计中。

正如 Shyam Gollakota 所说:

我们通过塑料物体实现了无线传输。

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而 IEEE 也给基于这种设计实现的网络起了一个形象的称呼:IoPT(Internet of Plastic Things,塑料物联网)。

拧瓶盖提供动力

自 2017 年发表了最初研究成果以来,三人的研究并未结束,他们的一个想法是利用机械运动为设备提供动力。

如何做到呢?很简单!

当我们拧开清洁剂塑料瓶的时候,拧瓶盖这个简简单单的动作就能为数据传输提供动力。

具体来讲,拧瓶盖的机械动作将会转化为天线反射的变化,就像有一个 WiFi 发射器在发送信号一样。随后,这些信号会被塑料物体反射,就可以通过调节机械运动控制反射量。

据了解,为确保塑料物体能够反射 WiFi 信号,研究人员采用的是具有导电特性的,包含铜、石墨烯屑的复合塑料细丝。

数据如何传达?

创建了反射材料,摆在三人的下一个挑战就是如何传达收集到的数据。

为解决这一问题,三人的做法很巧妙——将由基本字符 0、1 组成的二进制语言对应为 3D 打印的塑料齿轮。

齿轮上有齿和无齿分别对应 0 位和 1 位,根据传输的 1 位或 0 位反映 WiFi 信号。

对此,Shyam Gollakota 解释称:

我们将天线设计成了两部分,两部分连接或断开连接对应着 0 位和 1 位。

在这样的布局中,三位研究者用到了许多传感器和小部件的机械特性,旨在为反向散射设计提供动力。三人的巧思也体现在了设计中:按钮能从用户的交互中获取能量、圆形塑料弹簧组合可以存储能量。

商业场景设想

据 IEEE 报道,团队已经面向 3D 打印爱好者公开了这一「塑料物联网」的 CAD 模型。

这样一来,大家可以 DIY IoT 设备了,可控制音乐音量的无电池滑杆、检测到水管泄漏就向手机发送警报的传感器都可以实现。

论文中也展示了 3D 打印的一种 WiFi 智能设备——一个汰渍洗衣液瓶子连着一个“余量测量计”,可以跟踪洗涤剂的残留量,并自动进行补充。

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当然,如果脑洞够大,设计一个自动在电商平台下单的按钮也并不是不可能,感觉双十一抢货有希望了!

即便公开了 CAD 模型,三位研究者也为自己的杰作设想了一个广泛的商业应用场景,比如:

  • 经用户同意后,电商平台可通过「塑料物联网」了解用户的购物体验,并基于此对平台功能进行改进;

  • “即时医疗”场景下,对患者打开或关上药瓶的时间或使用量进行监测。

可见,这种「塑料物联网」不仅在万物相连的方式上进行了创新,还可能在智能化时代改变我们的生活。

【责任编辑:张燕妮 TEL:(010)68476606】

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