來源：高分子科學前沿
無線感測器在現實生活中隨處可見，在軍事、農業生產、生態環境監測和氣候變化、醫療和工業等領域都發揮著至關重要的作用。比如，無線感測器可用於監視農作物灌溉情况、土壤空氣情况、家畜和家禽的環境和遷移狀況、大面積的地表監測等。同時，可以通過數種感測器來監測降雨量、河水水位和土壤水分，描述生態多樣性，從而進行動物棲息地生態監測。
通常，這類環境監測需要部署數百甚至數千個感測器，並通過無線通訊形成一個相互連接的無線感測器網路。然而，現時在大面積上物理放置數百個感測器是一項既耗時又昂貴的工作。如何在廣闊的地理區域內分散大量低成本感測器以實現廣域傳感，仍然是一項巨大的挑戰。
自然界中，植物的種子一般非常輕，且往往具有非常好的空氣動力學結構。蒲公英的種子又輕又小，頂端長有一圈白絨毛，成熟後經風一吹，它們就漫天飛舞，宛如一朵朵降落傘飄向遠方。有研究表明，在合適的環境下，蒲公英的種子可以不耗油、不耗電，在數百公里外紮根生長。長期以來，人們一直試圖利用植物種子的幾何結構，設計出像蒲公英種子一樣强大、有效又安全的全新飛行器。設想一下，如果能够將無線感測器搭載在這類飛行器上，就可以像播撒種子一樣，從無人機或高處拋下大量的微型飛行設備並廣泛分散，從而實現大面積的無線感測器網路部署，為未來的物聯網技術提供了更好的空間範圍。
圖1.蒲公英隨風飄揚。
受蒲公英利用風傳播種子的啟發，美國華盛頓大學Vikram Iyer和Shyamnath Gollakota教授團隊開發了一種能够在風中分散的無電池微型無線感測器設備。該設備重30 mg，使用可程式設計的現成組件設計在靈活的基底上，為各種傳感和計算應用提供可擴展性和靈活性。同時，該系統使用輕型太陽能電池和一個能量收集電路供電，該電路對低光和可變光照條件具有魯棒性，並具有支持資料傳輸的反向散射通信連結。為了實現太陽能收集所需的大面積分散和直立著陸，研究團隊開發了以蒲公英為靈感的薄膜多孔結構，其終端速度為每秒0.87 ±0.02 米 ，具有直立著陸概率的空氣動力學穩定性超過95%。戶外環境測試結果表明，這些設備可以在微風到中風的情况下行駛50-100米。最後，研究團隊還展示了如何調節結構的孔隙率和直徑，以實現跨器件的分散變化。
該工作展示了一個功能齊全、風散的無線傳感系統，並在室外環境和現實世界的傳感應用中對其進行了評估。相關研究成功以“Wind dispersal of battery-free wireless devices”為題，發表在Nature上。
微型感測器系統要想類比蒲公英種子的行為需要解决幾個關鍵挑戰。
首先，需要設計和製造一種類似於蒲公英種子的輕質增阻結構，要讓無線感測器設備能够緩慢地落到地上，可以被微風吹來繞去。同時，為了保持輕便，研究團隊使用太陽能電池板而不是笨重的電池來為電子設備供電，這又帶來了新的挑戰。因為太陽能收集需要電池板面向太陽，並新增了阻力結構的空氣動力學穩定性要求，以便它可以被動地重新定向並垂直降落。
圖2.微型無線傳感系統使用太陽能電池板（黑色矩形部分）為電子元件供電。
為了類比蒲公英種子的結構，研究人員對蒲公英種子進行了二維投影，並通過雷射手段設計並製備出75種薄膜多孔構型，研究其終端降落速度，以優化飛行設備的結構，從而使它們能够像蒲公英種子一樣始終以直立的方向翻轉和掉落。
圖3.類比蒲公英種子結構設計的多種薄膜多孔構型
值得注意的是，太陽能是一種間歇性能源。如果沒有電池，系統就無法存儲電量，這意味著太陽下山後，感測器就會停止工作。關鍵的挑戰在於，當第二天早上太陽升起時，系統需要一點能量才能啟動。為了解决這個問題，研究團隊在感測器的電子元件中設計了一個微型電容器和微型電路。電容器可以在夜間儲存一些能量，而微型電路可以量測儲存了多少能量，一旦太陽升起並且有更多能量進入，超過某個設定的閾值，它將觸發系統的其餘部分。該電路對低光和可變光照條件具有魯棒性，並具有支持資料傳輸的反向散射通信連結。
圖4.微型無線傳感系統的電路和電子元件設計
為了量測這些設備在風中行進的距離，研究人員將它們從不同的高度扔下。結果發現，微型無線感測器設備能够在微風和中風情况下行進50-100米。而且，使用無人機可以一次性釋放數千個這樣的設備，在風中吹散，並且95%能够保持垂直降落，使太陽能電池板面向太陽。
此外，由於使用無電池系統，該設備上沒有任何東西會耗盡電量。原則上只要不發生物理故障，該設備就可以一直繼續運行。
但是，如此一來，電子設備就會長時間分散在生態系統中，對生態環境造成一定的影響。現時，研究人員正在研究如何使用可再生的綠色資料構建這些系統，使其易於生物降解。