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无需电池或充电,3D打印塑料品可通过 WiFi 传递信息!物联网“物种爆发”有了新的方向
2017-12-18      中国塑料技术网

  近日,华盛顿大学的研究团队首次通过 3D 打印塑料物件和传感器来实现以上构想。这些传感器可以收集有用的数据,并能独立地与其他无线连接的设备进行通信

图 | 华盛顿大学的工程师首次开发出一种 3D 打印的塑料物件,这些物件不需要借助其他电子器件就可以连接到 WiFi。图上 3D 打印出来的物件可以感知瓶中还剩多少洗涤液,在快用光的时候,这一物件可以实现洗涤液的自动续订。

  该研究的主要作者华盛顿大学(University of Washington)的助理教授 Shyam Gollakota 形象地描述到:“当你把洗涤剂从汰渍瓶中倒出来时,通过齿轮转动的速度你就会知道有多少液体流出来了,而通过 3D 打印开关和天线之间的相互作用便可以将这些数据无线传输到你的设备上。然后接收器可以跟踪你剩下多少洗涤剂,当它低于一定量时,它就可以自动向你的 Amazon 应用程序发送一个信息来订购更多的洗涤剂。”

实现这种效果的关键就是反向散射技术在物理学中,反向散射指的是波、粒子或信号从它们来的方向反射回去。该技术也是“无源 WIFI”技术的核心组成部分。

“无源 WIFI”技术同样是 Shyam Gollakota 发明的,曾被《麻省理工科技评论》评为2016 年的“十大突破性技术”“无源 WIFI”技术利用反向散射实现无线供电与 WiFi 的结合,可以利用周围的无线电波信号作为电能源,并与 WiFi 网络建立连接进行数据传输。

  Shyam Gollakota 本人也是一位无线技术专家,一直致力于发明不用电池就可以为设备提供动力的方法。早在 2014 年的时候,28岁的他就被《麻省理工科技评论》评为当年的“ 35 岁以下 35 名全球科技创新者”


图丨Shyam Gollakota

  而在最新的成果中,他领导团队设计的反向散射系统,则是通过天线反射无线信号来实现数据的传输:由 WiFi 路由器或者其他设备发出的信号会被天线反射回去,反射回去的信号再由 WiFi 接收器解码,从而实现数据信息的传输。

  为此,该小组也相应地采用由弹簧、齿轮、开关等其他可 3D 打印的部件组成的机械运动系统来取代通常的电气元件组成的系统。而且,新的系统同样可实现电气系统的一些功能,从原理上来看,这一系统还能使无电池的手表能够维持正常走时。他们的研究成果已经发表在了 11 月 30 日的 ACM Transactions on Graphics 杂志上。

  和此前的“无源 WiFi”技术相比,Shyam Gollakota 这次的成果更“接地气”,不仅可以让设备不必通电或者使用电池就能实现连通 WiFi 传输信息,而且这些设备完全可以由 3D 打印机制造出来!例如说,前面提到的“智能洗衣液瓶”中,无论是跟踪和订购洗衣液的流量计,还是可用于管理库存或测量试管中液体量的试管架,都是 3D 打印出来。

  论文共同作者、华盛顿大学电气工程博士生 vikram iyer 表示,“我们的目标就是希望人们在家中就可以利用 3D 打印机便捷地制造出一些物品,并使得这些物品可收集有用的信息来传递给其他设备。不过其中最大的挑战就是,你如何只用塑料就实现 WiFi 无线通信?而这是以前没人做过的事。


图 | 在这个反向散射系统中,一个天线被嵌入在了 3D 打印的物件 (中) 里,然后反射 WiFi 路由器 (左) 信号并进行重新编码,最后由手机、电脑或其他设备的 WiFi 接收器 (右) 对反射回来的信号进行解码。

  在这套反向散射系统中,研究者们展示了 3 种不同的天线设计——偶极振子型 (dipole), 领结型 (bowtie), 片状型 (patch)。2.4GHz WiFi 频率的波长大概在 6 厘米左右,对于 dipole 天线,其宽度很小大概只有半波长宽,可以很容易集成到 3D 打印物件中去。并且这一天线具有宽横梁以及低的指向性,因而可以进行灵活的安置。

  而领结状的 Bowtie 天线则拥有较宽的横梁,而且比 dipole 具有更大的带宽,使其更能适应制造误差。

  片状的 Patch 天线只可以从物件向外辐射信号,但比其他两种具有更大的信号增益。

图 | 3D 打印的天线

在 2.4GHzWiFi 频率下,研究者对三种天线的接收功率测试,并与信号发射源连接的普通单极天线进行比较发现,Dipole 与 Bowtie 天线获得功率几乎和普通的天线接收到的功率不相上下。


图 | 在 2.4GHzWiFi 频率下,三种天线与常规天线接收功率比较图

  除了重新设计天线外,研究团队还打造了多种不同机制的开关。在生活中,存在着许多诸如推动或扭动的“天然按钮”,例如把洗衣液倒出瓶子,将锤子从工具台上拿走等物理行为。而针对这些不同的物理运动就需要不同的触发开关来使得天线发生断开与连接,从而改变了天线的反射状态。为此研究者们又发明了多种不同机制的开关——悬臂式 (Cantilever), 按钮式 (push button), 弹簧驱动式 (Spring driven)。

  这些开关各有特色,悬臂式开关与天线结合可以实现自动的弹开,就好像我们的鼠标或键盘,使得天线可以间歇性连接;按钮式开关则可以实现更长时间的天线状态维持;弹簧驱动式开关则对微小的力更加的敏感,拥有更快的响应时间和更大的响应振幅。


图 | 三种 3D 打印的反向散射开关——(a,b) 悬臂式,(c,d) 按钮式, (e,f) 弹簧驱动式, 左边为按压前,右边为按压后。


图 | 三种 3D 打印开关的响应时间和响应振幅比较图

  此外,研究者还巧妙地将齿轮的缺失 (0) 与存在 (1) 来对信息进行编码,并改变齿轮的宽度和大小来控制反向散射开关与天线的接触时间。利用盘绕的弹簧产生的能量就可以驱动这种齿轮系统,然后产生对应的反射信号,最后由 WiFi 接收器来对其进行解码。


图 | 左:一个没有编码的 24 齿的齿轮;中:进行了编码的齿轮, 轮齿存在为 1,不存在为 0;右:由双轮齿宽度编码的齿轮

图 | 3D 打印储能装置.(a) 盘绕弹簧储能器.(b) 推动式储能器

图 | 3D 打印的齿轮 (白色) 和弹簧 (蓝色) 同由导电塑料制成的灰色表面的白盒子一同构成了一个开关。这一个开关可以改变 3D 打印天线 (灰色条带) 的反射状态,从而将有用信息传递给 WiFi 接收器。齿轮的形状以及转动的速度都会被编码进无线信号中。

  当完成了以上的工作后,我们只需要把这些弹簧、齿轮、开关和物件利用 3D 打印技术打印出来,就可以实现无线连接了。

图 | 华盛顿大学的计算机科学家和电气工程师团队还提供了 3D 打印的塑料滚动轮、滑块和按钮,可以与计算机、电话和其他 WiFi 连接的设备进行无线交互

  另外,借助另一种由塑料和铁混合的 3D 打印长丝的磁性性能,研究者实现了 3D 打印物件的静态信息编码。利用静态编码就可以将条形码编写进货物,或者将物件使用信息编入,从而告知机器人该如何与其进行交互。

  华盛顿大学博士生、论文共同作者 Justin Chan 说到:“它看起来就像是一个普通的 3D 打印物件,但里面其实存在着不可见的信息,通过你的智能手机解码你就能看到这些信息。”

  现在,华盛顿大学网络与移动系统实验室的 3D 打印团队还打印出了风速计、水表和刻度盘等等小物件,它们同样能够成功地感知和将信息发送到其他与 WiFi 连接的设备上。

  研究团队所提供的如按钮、旋钮和滑动条等可 WiFi 连接的 3D 打印的小部件等也均可以定制,并与家中的其他智能设备进行通信,从而实现丰富的家居“感知”生态系统,让这些物件无缝地感知四周并与周围环境进行互动。

  如果你也想制造这样的一套系统,别担心,借助该团队向公众提供的 CAD 模型,3D 打印爱好者完全可以用市面上可获得的打印塑料来打印物件,打印出来的物件同样可以与其他智能设备实现无线通信。这些物件可以是一个控制音乐音量的无电池滑动条,或者是一个自动从亚马逊订购更多玉米片的按钮,又或者是一个水传感器,当它检测到泄漏时,就会向你的手机发出警报。

  如今,物联网时代已经离我们越来越近,3D 打印的互联网连接设备也必将成为未来的物联网中的一个关键元素,其应用范围广泛,包括传感、游戏、跟踪和机器人等领域。研究者们也期待着他们的下一步工作可以把这一无需电子元件的无线连接的 3D 打印物件能应用于生活的各个方面,最终打造出一个物物互通的生态系统。

 
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