IoT無需電池!3D列印感測器、塑膠瓶能聯網、擰瓶蓋就可提供動力
付静 / 何渝婷編譯
2020-10-20 14:15

(示意圖/取自pixabay)

「我們的目標是,不使用電池或任何電子元件,3D列印無線感測器,輸入可以與智慧型手機和其他WiFi設備進行通訊的物體。」這種對於物聯網的新設想,來自於美國華盛頓大學副教授Shyam Gollakota,和兩位在讀博士生Vikram Iyer和Justin Chan。 

IEEE網站報導,早在2017年,這3人就公布了最初的研究成果,論文題為3D printing wireless connected objects3D列印無線連接的設備),Vikram IyerJustin Chan為共同作者。

那麼,沒有了電池加持,物聯網靠什麼實現萬物相連呢?

三人給出的答案是:塑膠。

反向散射技術

首先需要解釋一個詞:「反向散射」(backscattering)。

物理學中,反向散射指波、粒子等從它們來的方向反射回去,它在天文學、攝影和醫學超聲檢查中有著廣泛應用,我們都聽過名字的雷達系統,背後的基本原理也正是反向散射。

引申一下,這個詞還能理解為,設備自身不產生訊號,只是反射傳輸過來的訊號,從而達到通訊的目的。

此前,市場研究公司Gartner曾發布,未來5年將出現的十大無線通訊技術趨勢,其中有我們並不陌生的WiFi、5G、V2X(無線車聯網)、長距離無線充電等,也包括了反向散射技術。

據瞭解,反向散射技術可以以非常低的功耗發送數據,對於物聯網設備的應用有一定的意義。

實際上華盛頓大學一直以來在這項技術上頗有建樹,比如:

  • 實現幾種無線通訊協議之間的通訊;
  • 設計出了幾乎零功耗的設備,其數據傳輸距離最高可達2.8公里;
  • 開發出了無需插電的串流媒體 (Streaming media)方案。

最為值得一提的是,2014年一組來自華盛頓大學的研究團隊,實現了一種無電池晶片(battery-less chips),這種晶片傳輸比特的兩種方式是,反射或不反射WiFi路由器的訊號。

通過這樣的反向散射,設備實現通訊只需通過調製其在空間中對WiFi訊號的反射。

「塑膠物聯網」

而Shyam Gollakota教授三人的研究,正是以這種無電池晶片為基礎展開的。

據IEEE報導,WiFi反向散射系統面臨的一大挑戰在於,需要多種電子元件(主要包括能夠在反射和非反射狀態間切換的RF開關、控制開關從而編碼適當數據的數位邏輯、以及對所有電子零件供電的電源/採集器)。

而三人研究最大的創新點就在於,將WiFi反向散射技術與3D列印技術相結合,通過商用3D列印機創造了無線設備,再用塑膠絲將其集成到一個單一的可運算設計中。

正如Shyam Gollakota所說:「我們通過塑膠物體實現了無線傳輸。」

而IEEE也給基於這種設計實現的網路,取了一個形象的稱呼:「IoPT(Internet of Plastic Things,塑膠物聯網)」。

擰瓶蓋提供動力

自2017年發表了最初研究成果以來,三人的研究並未結束,他們的一個想法是利用機械運動為設備提供動力。

如何做到呢?很簡單!

當我們擰開清潔劑塑膠瓶的時候,擰瓶蓋這個簡單的動作,就能為數據傳輸提供動力。

具體來講,擰瓶蓋的機械動作將會轉化為天線反射的變化,就像有一個WiFi發射器在發送訊號一樣。隨後,這些訊號會被塑膠物體反射,就可以通過調節機械運動控制反射量。

據瞭解,為確保塑膠物體能夠反射WiFi訊號,研究人員採用的是具有導電特性的,包含銅、石墨烯屑的複合塑膠細絲。

數據如何傳達?

創建了反射材料,擺在三人的下一個挑戰,就是如何傳達收集到的數據。

為解決這一問題,三人的做法很巧妙,將由基本字符 0、1組成的二進制語言,對應為3D列印的塑膠齒輪。

齒輪上有齒和無齒分別對應0位和1位,根據傳輸的1位或0位反映出WiFi訊號。

對此,Shyam Gollakota解釋稱:「我們將天線設計成了兩部分,兩部分連接或斷開連接對應著0位和1位。」

在這樣的佈局中,三位研究者用到了許多感測器和小部件的機械特性,旨在為反向散射設計提供動力。三人的巧思也體現在了設計中,按鈕能從用戶的交互中獲取能量、圓形塑膠彈簧組合可以儲存能量。

商業場景設想

據IEEE報導,團隊已經面向3D列印愛好者公開了這一「塑膠物聯網」的CAD模型。

這樣一來,大家可以DIY IoT設備了,可控制音樂音量的無電池滑桿、檢測到水管洩漏,就向手機發送警報的感測器都可以實現。

論文中也展示了3D列印的一種WiFi智慧設備,一個汰漬洗衣精的瓶子,連著一個「餘量測量計」,可以追蹤洗衣精的殘留量,並自動進行補充。

當然,設計一個自動在電商平台下單的按鈕也不是不可能。

即便公開了CAD模型,三位研究者也為自己的傑作,設想了一個廣泛的商業應用場景,比如:

  • 經用戶同意後,電商平台可通過「塑膠物聯網」瞭解用戶的購物體驗,並基於此對平台功能進行改進;
  • 「即時醫療」場景下,對患者打開或關上藥瓶的時間或使用量進行監測。

可見,這種「塑膠物聯網」不僅在萬物相連的方式上進行了創新,還可能在智慧化時代改變我們的生活。

本文為雷鋒網授權刊登,原文標題為「IoT 無需電池!3D 打印傳感器,塑料瓶能聯網,擰瓶蓋即可提供動力