IoT 無需電池!塑膠瓶能聯網,轉瓶蓋即可提供動力

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 26 日 8:15 | 分類 3D列印 , 物聯網 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


「我們的目標是,不使用電池或任何電子元器件,3D 列印無線感測器,輸入可以與智慧手機和其他 Wi-Fi 裝置進行通訊的物體。」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 3 人就公布了最初的研究成果,論文題為 3D printing wireless connected objects(3D 列印無線連接的裝置),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?

3 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、攝影和醫學超音波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,裝置自身不產生訊號,只是反射傳輸過來的訊號,進而達到通訊目的。

之前,市場研究公司 Gartner 曾發布了未來 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 Wi-Fi、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。

據了解,反向散射技術可以以非常低的功耗發送數據,對於物聯網裝置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:

  • 實現了幾種無線通訊協議之間的通訊。
  • 設計出了幾乎零功耗的裝置,其數據傳輸距離最高可達 2.8 公里。
  • 開發出了無需插電的視頻流方案等。

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 Wi-Fi 路由器的信號。透過這樣的反向散射,裝置實現通訊只需透過調制其在空間中對 Wi-Fi 信號的反射。

「塑膠物聯網」

而 Shyam Gollakota 教授 3 人的研究正是以這種無電池晶片為基礎展開的。

據 IEEE 報導,Wi-Fi 反向散射系統面臨的一大挑戰在於──需要多種電子元器件(主要包括能夠在反射和非反射狀態間切換的 RF 開關、控制開關進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 3 人研究最大的創新點就在於,將 Wi-Fi 反向散射技術與 3D 列印技術相結合,透過商用 3D 列印機創造了無線裝置,再用塑膠絲將其集成到一個單一的可計算設計中。

正如 Shyam Gollakota 所說:

我們透過塑膠物體實現了無線傳輸。

(Source:華盛頓大學,以下同)

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)。

轉瓶蓋提供動力

自 2017 年發表了最初研究成果以來,3 人的研究並未結束,他們的一個想法是利用機械運動為裝置提供動力。如何做到呢?很簡單!

當我們轉開清潔劑塑膠瓶的時候,轉瓶蓋這個簡單的動作就能為數據傳輸提供動力。具體來講,轉瓶蓋的機械動作將會轉化為天線反射的變化,就像有一個 Wi-Fi 發射器在發送訊號一樣。隨後,這些訊號會被塑膠物體反射,就可以透過調節機械運動控制反射量。

據了解,為確保塑膠物體能夠反射 Wi-Fi 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 3 人的下一個挑戰就是如何傳達收集到的數據。

為解決這個問題,3 人的做法很巧妙──將由基本字元 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 Wi-Fi 訊號。

對此,Shyam Gollakota 解釋:

我們將天線設計成兩部分,兩部分連接或斷開連接對應著 0 位和 1 位。

在這樣的布局中,3 位研究者用到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。3 人的巧思也體現在設計中:按鈕能從用戶的互動中獲取能量、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個「塑膠物聯網」的 CAD 模型。

這樣一來,大家可以 DIY IoT 裝置了,可控制音樂音量的無電池滑桿、檢測到水管漏水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 Wi-Fi 智慧裝置──一個 Tide 洗衣液瓶子連著一個「餘量測量計」,可以追蹤洗滌劑的殘留量,並自動進行補充。

當然,如果腦洞夠大,設計一個自動在電商平台下單的按鈕也並不是不可能,感覺雙 11 搶貨有希望了!

即便公開了 CAD 模型,3 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,電商平台可透過「塑膠物聯網」了解用戶的購物體驗,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。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:IEEE

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