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

（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。

據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 objects（3D列印無線連接的設備），Vikram Iyer和Justin 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：

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：

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。