Mniszek lekarski inspiracją dla inżynierów

Czujniki jak mniszek lekarski. Najpierw trzeba jednak uporać się z kluczowym problemem

Mniszek lekarski zainspirował naukowców do stworzenia bezprzewodowych czujników, które mogą przekazywać dane na odległość 60 metrów.

Bezprzewodowe czujniki, które mogą monitorować zmiany temperatury, wilgotności i innych parametrów na dużych obszarach, są powszechnie wykorzystywane w rolnictwie. Mogą dostarczyć wielu cennych informacji, w tym dotyczących zmian klimatycznych. Problemem jest jednak ich fizyczne rozmieszczenie, które jest kosztowne i czasochłonne.

Czytaj też: Wojna a ślad węglowy. Przyroda cierpi z powodu konfliktów

Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, zainspirowani sposobem, w jaki mniszek lekarski wykorzystuje wiatr do rozsiewania swoich nasion, opracowali maleńkie przenośne czujniki. Są one ok. 30 razy cięższe od nasion mniszka lekarskiego, które ważą ok. 1 mg, ale przy umiarkowanej bryzie mogą przemieścić się na odległość do 100 m, czyli mniej więcej tyle, ile wynosi długość boiska piłkarskiego. Po dotarciu na ziemię urządzenie, które może pomieścić co najmniej cztery czujniki, korzysta z paneli słonecznych do przekazywania danych na odległość do 60 m.

Pokazujemy, że do stworzenia maleńkich rzeczy można użyć elementów dostępnych na rynku. Nasz prototyp sugeruje, że można by użyć drona do uwolnienia tysięcy takich urządzeń w jednej kropli. Wszystkie będą przenoszone przez wiatr w nieco inny sposób i w zasadzie można stworzyć sieć 1000 urządzeń za pomocą jednej kropli. To niesamowite i przełomowe dla dziedziny rozmieszczania czujników, ponieważ obecnie ręczne rozmieszczenie takiej liczby czujników może zająć miesiące.

prof. Shyam Gollakota z Uniwersytetu Waszyngtońskiego

Naukowcy przetestowali 75 projektów, aby ustalić, który z nich zapewni najmniejszą „prędkość końcową”, czyli maksymalną prędkość, z jaką urządzenie będzie spadać w powietrzu.

Sposób działania struktur nasion mniszka lekarskiego polega na tym, że mają one centralny punkt i wystające z niego małe wypustki, które spowalniają ich opadanie. Aby stworzyć bazowy projekt naszych struktur, wykonaliśmy ich dwuwymiarową projekcję. Gdy zwiększyliśmy ciężar, nasze szczeciny zaczęły wyginać się do wewnątrz. Dodaliśmy strukturę pierścieniową, aby ją usztywnić i zająć większą powierzchnię, co pomogło spowolnić ten proces.

Vikram Iyer, asystent profesora z Uniwersytetu Waszyngtońskiego

Aby zminimalizować masę czujników, naukowcy użyli panele słoneczne zamiast akumulatorów. Urządzenia lądowały z panelami słonecznymi skierowanymi pionowo przez 95% czasu. Ich kształt i struktura umożliwiają im przewracanie się i opadanie w stałej pionowej orientacji, podobnej do tej, jaką mają nasiona mniszka lekarskiego. Aby po zachodzie Słońca czujniki nie przestały działać, naukowcy zaprojektowali układ elektroniczny tak, aby zawierał kondensator, który może przechowywać pewien ładunek przez noc.

W tym urządzeniu nie ma niczego, co mogłoby się wyczerpać – urządzenie będzie działać, dopóki fizycznie się nie zepsuje. Jedną z wad takiego rozwiązania jest to, że elektronika będzie rozproszona w całym interesującym nas ekosystemie. Naukowcy zastanawiają się, jak sprawić, by systemy te były bardziej biodegradowalne.

To dopiero pierwszy krok, dlatego jest to tak ekscytujące. Jest wiele innych kierunków, w których możemy teraz podążać – na przykład rozwijanie wdrożeń na większą skalę, tworzenie urządzeń, które mogą zmieniać kształt w trakcie spadania, a nawet dodanie nieco większej mobilności, tak aby urządzenia mogły się przemieszczać, gdy już znajdą się na ziemi, aby zbliżyć się do interesującego nas obszaru.

Vikram Iyer

Więcej o odkryciu można przeczytać w Nature.