航天科普太阳观测器（这个太阳能传感器可在微风中飞行）

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该研究的灵感来自普通蒲公英及其种子风传播。

编辑｜感知芯视界

随风飘扬的普通蒲公英进化出一种巧妙的结构，以确保其种子可以传播得更远更广。日前，华盛顿大学的一组研究人员将同样的独创性应用到可用于监测气候变化的无线传感器上。

图源：华盛顿大学

这些微型设备的重量是 1 毫克蒲公英种子的 30 倍，当无人机释放时，它们可以在微风中飞行 100 米。这一突破可以使部署能够监测温度、湿度、气压和光线等环境条件变化的传感器变得更容易、更快、更便宜。

“我们展示了你可以使用现成的组件来创造微小的东西。我们的原型建议您可以使用无人机一次性释放数千个此类设备。它们都会被风带走，基本上你可以用这一滴水创建一个包含 1000 台设备的网络，”资深作者、华盛顿大学保罗 G. 艾伦计算机科学与工程学院教授 Shyam Gollakota 解释说。 “这对于部署传感器领域来说是惊人的和变革性的，因为现在手动部署这么多传感器可能需要几个月的时间。”

图：研究人员测试了 75 种设计，以确定什么会导致最小的“终端速度”，或设备在空中坠落时的最大速度

工程师的第一步是设计出风散的最佳形状。在测试了 75 个原型后，该团队发现带辐条的环形效果最好。

“蒲公英种子结构的工作方式是它们有一个中心点，这些小刷毛伸出来减缓它们的下落。我们对其进行了 2D 投影，为我们的结构创建了基础设计，”主要作者、艾伦学院的华盛顿大学助理教授 Vikram Iyer 说。“当我们增加重量时，我们的刷毛开始向内弯曲。我们添加了一个环形结构，使其更加坚硬并占据更多区域以帮助减慢速度。

图：该设备的板载电子设备包括传感器、用于过夜存储电荷的电容器和用于运行系统的微控制器，所有这些都包含在柔性电路中

下一步是使设备尽可能轻。为了实现这一目标，研究人员使用太阳能电池板代替重型电池为电子设备供电。使用太阳能的好处是传感器不会突然用完电池，但缺点是没有电池，系统无法存储电量。为了解决这个问题，该团队加入了一个电容器，让传感器可以在一夜之间储存一些电荷，并在太阳下山后继续工作。

“然后我们有了这个小电路，它可以测量我们储存了多少能量，一旦太阳升起并且有更多能量进入，它会触发系统的其余部分打开，因为它会感应到它超过了某个阈值，” Iyer 继续说道。

该系统的另一个缺点是电子设备将分散在自然界中。因此，研究人员目前正在研究如何使这些设备更易于生物降解。

“这只是第一步，这就是它如此令人兴奋的原因，” Iyer 说。“我们现在可以采取许多其他方向——例如开发更大规模的部署，制造可以在坠落时改变形状的设备，甚至增加一些移动性，以便设备一旦落地就可以移动靠近我们好奇的区域。

部署后，这些设备可以容纳至少四个传感器，并且可以共享最远 60 米以外的传感器数据。为了测量这些设备在风中行进多远，研究人员将它们从不同的高度扔下，无论是用手还是在校园里用无人机。研究人员说，从一个落点展开设备的一个技巧是稍微改变它们的形状，以便它们以不同的方式被微风携带。

“这是在模仿生物学，其中变异是一个特征，而不是一个错误，”共同作者、华盛顿大学生物学教授托马斯丹尼尔评论道。“植物不能保证他们今年生长的地方明年会很好，所以他们有一些种子可以传播到更远的地方来对冲他们的赌注。”该研究发表在《自然》上。

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