Pusteblumen-Sensoren ohne Batterien: Winzige Elektronik verteilt sich mit dem Wind

Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauteile hat einige erstaunliche Fortschritte ermöglicht. Darunter auch winzige Sensoren, die etwa Feuchtigkeit und Temperatur messen. In Zukunft könnte dies für groß angelegtes Monitoring genutzt werden. Man stelle sich eine Farm vor, auf der Hunderte winziger Sensoren verteilt werden, mit denen diverse Parameter überwacht werden können. ForscherInnen der University of Washington haben eine Sensorplattform entwickelt, die von Drohnen verteilt werden kann und dann wie Pusteblumen-Samen vom Wind verteilt wird.

Bei den schwarzen Flächen handelt es sich um Solarpanele, die die Sensoren statt einer Batterie mit Strom versorgen.
Bild: Mark Stone/University of Washington

Sensorplattformen ohne Batterien können vom Wind verteilt werden

Sensoren dieser Größe haben ein großes Potenzial. Allerdings würde ihr Einsatz derzeit noch bedeuten, dass man Hunderte von ihnen manuell über eine große Fläche verteilen müsste. Das Team der University of Washington hat einen cleveren Ansatz entwickelt, um dies zu vermeiden. Inspiration kam wie so oft aus der Natur, genau genommen von Pusteblumen, die ihre Samen durch den Wind verteilen lassen. Insgesamt 75 verschiedene Sensor-Designs testeten die Forscher, bevor sie sich für eines entschieden.

„The way dandelion seed structures work is that they have a central point and these little bristles sticking out to slow down their fall. We took a 2D projection of that to create the base design for our structures. As we added weight, our bristles started to bend inwards. We added a ring structure to make it more stiff and take up more area to help slow it down„, so Vikram Iyer, der an der Studie beteiligt war.

Das Team verzichtete auf den Eisatz von Batterien, die die Sensoren zu schwer gemacht hätten. Stattdessen kommen winzige Solarpanele zum Einsatz, die die Elektronik der Sensoren mit Strom versorgen. Zum Konzept gehört auch ein Kondensator, der Energie für den Einsatz in der Nacht speichert. Die einzelnen Sensoren sind immer noch rund 30 Mal schwerer als ein Pusteblumen-Samen, der es auf etwa ein Milligramm bringt. Es gelang dem Team jedoch, experimentell zu zeigen, dass die Sensoren leicht genug sind, um von leichtem Wind auf der Fläche eines Footballfelds (120×50 Meter) verteilt werden können, wenn sie von einer Drohne abgesetzt werden.

„We show that you can use off-the-shelf components to create tiny things. Our prototype suggests that you could use a drone to release thousands of these devices in a single drop. They’ll all be carried by the wind a little differently, and basically you can create a 1,000-device network with this one drop. This is amazing and transformational for the field of deploying sensors, because right now it could take months to manually deploy this many sensors„, so Seniorautor Shyam Gollakota.

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Vier Sensoren messen Umgebungsdaten

Auf dem Boden können die kleinen Sensorplattformen dann bis zu vier Sensoren einsetzen. So messen sie die Temperatur, das Licht, die Luftfeuchte sowie den Luftdruck. Außerdem können die gemessenen Daten dann über eine Entfernung von 60 Metern gesendet werden. Das Design ist so ausgelegt, dass die Sensor-Plattformen in 95 Prozent der Fälle so landen, dass die Solarpanele nach oben zeigen. Durch kleine Veränderungen an der Form der Plattformen konnten die ForscherInnen erreichen, dass die Plattformen sich im Wind unterschiedlich bewegten und so gleichmäßiger über die Fläche verteilt werden konnten.

„This is mimicking biology, where variation is actually a feature, rather than a bug. Plants can’t guarantee that where they grew up this year is going to be good next year, so they have some seeds that can travel farther away to hedge their bets„, so Thomas Daniel, der ebenfalls an der Entwicklung mitgearbeitet hat.

Bild: Mark Stone/University of Washington

Die ForscherInnen haben noch die ein oder andere Idee, um das Design noch weiter zu verbessern. Dabei geht es unter anderem um biologisch abbaubare Versionen, die das Problem des verursachten Elektronik-Abfalls in den Griff bekommen könnten.

„This is just the first step, which is why it’s so exciting. There are so many other directions we can take now such as developing larger-scale deployments, creating devices that can change shape as they fall, or even adding some more mobility so that the devices can move around once they are on the ground to get closer to an area we’re curious about„, so Iyer.

via University of Washington