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無線感測器技術(wireless sensors)目前多用於測量與監控農場、森林等大片土地,並蒐集溫度、濕度等環境變因,無論是在數位化農業、氣候變遷風險控管等領域,都擁有出色的應用潛力。不過迄今為止,大多數感測器都由電池供電,且必須由專業人員親自到現場一一擺放感測器裝置,對於大面積監控範圍而言,安裝過程顯得耗時耗力,金錢成本也高昂。

如果現在有項新發明,能讓這過程變得像蒲公英散播種子一樣,輕盈又快速,那無線感測器是否能更快達成普及應用呢?

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向大自然借點子:仿生學的物聯網應用

蒲公英通過風力傳播種子,蒲公英花在成熟之後,模樣就像一把毛茸茸的降落傘,帶著冠毛的種子會迎風而起、隨著風飄蕩,將種子帶到遠方。

受到蒲公英的啟發,來自華盛頓大學的研發團隊,開發出一種新型感測器攜帶設備,它們可以像蒲公英種子一樣,一邊降落、一邊被風吹著前進,輕鬆抵達遠方。

雖然比起重量僅僅一毫克的蒲公英種子,該系統「重達」 30 毫克,不過當這些微型設備被無人機釋放時,還是有辦法在微風推動下,飛行約 100 公尺,並於著陸後持續發送距離 60 公尺以上的傳感器數據

專案負責人表示:「我們的研究成果顯示,未來部署感測器只需要一台無人機,一次撒落上千台微型裝置,再任由風將它們帶往隨機位置,每一台的降落處都會有些許不同。基本上,你就能毫不費力地布置好由 1000 具感測器組成的監測網絡。

這項蒲公英發明原型,在今年 3 月 16 號被刊登於《自然》(Nature)這本科學期刊上。每年許多最重要、最前端的科學研究結果,都會在《自然》中以短文章形式發表。這項發明不僅為小規模、專用化運算(purpose-built computing)作出貢獻,也不失為嵌入式電子設備(embedded electronics)下一個發展新方向

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75 種設計測試,發現這形狀最給力

為了確定裝置在空氣中下落時的最大速度,藉以評估這些設備在風中能行進多遠,還要確保整套系統能像真正的蒲公英種子那樣,輕輕巧巧地降落地面,研究團隊連番測試了 75 種設計,才發現蒲公英種子的結構圍繞一個中心點,周圍延伸出來的絨毛,則能減緩降落速度,形成隨風漂浮前進的效果。

不過電子設備畢竟還是有一定重量,不可能像種子一樣輕盈,因此研究人員添加了加固性質的環形結構,並占用更多的面積來幫助減慢速度,才不會一下子就落到地面上;最終,系統的形狀和結構使它們幾乎能夠像蒲公英種子一樣,約有 95% 的機率保持直立的方向翻轉和掉落。

如何兼顧靈活輕便與動力來源?

為了保持系統盡可能輕便,團隊捨棄笨重的電池,選用太陽能電池板為電子設備供電,每台設備可以攜帶至少四個感測器。

這些設備使用反向散射(backscatter,一種通過反射傳輸信號來發送資訊的方法),將感測器數據無線回報給研究人員。帶有感測器的設備會測量溫度、濕度、壓力和光,並在關閉時發送日落前的數據。第二天早上,當這些設備重新啟動時,數據收集又重新開始了。

然而沒有電池,系統便無法儲存電力,一旦太陽下山感測器就會失效;此外,電子設備每回開關機之際,晶片都會需要些許電力進行系統檢查,才能開始運作。為此,研究團隊的解方是在電路中加上一具電容器,這種被動電子元件能將少量電能儲存在電場中,使系統不至於完全無動能;等到太陽升起就有更多電能湧入,足以觸發感測器的其餘功能。

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飛得更高、更遠、更綠能

無電池感測系統除了輕巧,另一項優勢就在於它不會有「沒電」的問題,理論上能一路用到硬體本身故障或毀損。然而這項系統原型仍存在不少改善空間,例如是否能讓所有元件具備生物可降解(biodegradable)的特性,以免撒落感測器的同時,也等於把電子設備遍撒各處,反倒造成非預期的環境汙染。

除此之外,如何適應更大規模的安裝範圍、是否能在降落過程中調整形狀,或者加強裝置可動性,使感測器在降落後還能調整位置,這也都是研究團隊未來的努力方向。

「邊緣運算技術」配上無人機推進農業科技發展

而說到監控農場或者是要做到田裡作物的健康情形調查,在無人機領域也有許多先進的應用,以經緯航太科技為例,他們從 2008 年就開始發展無人飛機研發與製造領域,透過無人機技術,團隊已能做到大面積對作物「精準噴藥」。

他們善用「邊緣運算技術」,讓一切在機器端上完成,在無人機上裝上 NVIDIA 的 AI 電腦 Jetson TX 2,利用高速處理器的運算、AI 深度學習等技術,就可自高空快速判別作物有無生病,一發現病徵就立即進行噴藥,並在飛到健康植株時,自動關閉噴嘴。

而在未來,我們是否能更推進農業科技,將軟硬體應用結合來輔助農民達到更有效率地農業發展呢?

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本文開放夥伴轉載,資料參考:UW NewsTechCrunch,首圖來源:Pixabay