IoT 無需電池！3D 打印傳感器，塑料瓶能聯網，擰瓶蓋即可提供動力

我們的目標是，不使用電池或任何電子元器件，3D 打印無線傳感器，輸入可以與智能手機和其他 WiFi 設備進行通信的物體。

這種對于物聯網的新設想，來自于美國華盛頓大學副教授 Shyam Gollakota 和兩位在讀博士生 Vikram Iyer 和 Justin Chan。 

據 IEEE 網站報道，早在 2017 年三人就公布了最初的研究成果，論文題為 3D printing wireless connected objects（3D 打印無線連接的設備），Vikram Iyer 和 Justin Chan 為共同一作。

那么，沒有了電池加持，物聯網靠什么實現萬物相連呢？

三人給出的答案是：塑料。

反向散射技術

首先需要解釋一個詞：「反向散射」（backscattering）。

物理學中，反向散射指波、粒子等從它們來的方向反射回去，它在天文學、攝影和醫學超聲檢查中有著廣泛應用，我們都聽過名字的雷達系統背后的基本原理也正是反向散射。

引申一下，這個詞還能理解為，設備自身不產生信號，只是反射傳輸過來的信號，從而達到通信目的。

此前，市場研究公司 Gartner 曾發布了未來 5 年將出現的十大無線通信技術趨勢，其中有我們并不陌生的 WiFi、5G、V2X（無線車聯網）、長距離無線充電等，也包括了反向散射技術。

據了解，反向散射技術可以以非常低的功耗發送數據，對于物聯網設備的應用有一定的意義。

實際上華盛頓大學一直以來在這項技術上頗有建樹，比如：

• 實現了幾種無線通信協議之間的通信；

• 設計出了幾乎零功耗的設備，其數據傳輸距離最高可達 2.8 千米；

• 開發出了無需插電的視頻流方案，等等。
  

最為值得一提的是，2014 年一組來自華盛頓大學的研究團隊實現了一種無電池芯片（battery-less chips），這種芯片傳輸比特的兩種方式是：反射或不反射 WiFi 路由器的信號。通過這樣的反向散射，設備實現通信只需通過調制其在空間中對 WiFi 信號的反射。

「塑料物聯網」

而 Shyam Gollakota 教授三人的研究正是以這種無電池芯片為基礎展開的。

據 IEEE 報道，WiFi 反向散射系統面臨的一大挑戰在于——需要多種電子元器件（主要包括能夠在反射和非反射狀態間切換的 RF 開關、控制開關從而編碼適當數據的數字邏輯、以及對所有電子部件供電的電源/采集器）。

而三人研究最大的創新點就在于，將 WiFi 反向散射技術與 3D 打印技術相結合，通過商用 3D 打印機創造了無線設備，再用塑料絲將其集成到一個單一的可計算設計中。

正如 Shyam Gollakota 所說：

我們通過塑料物體實現了無線傳輸。

而 IEEE 也給基于這種設計實現的網絡起了一個形象的稱呼：IoPT（Internet of Plastic Things，塑料物聯網）。

擰瓶蓋提供動力

自 2017 年發表了最初研究成果以來，三人的研究并未結束，他們的一個想法是利用機械運動為設備提供動力。

如何做到呢？很簡單！

當我們擰開清潔劑塑料瓶的時候，擰瓶蓋這個簡簡單單的動作就能為數據傳輸提供動力。

具體來講，擰瓶蓋的機械動作將會轉化為天線反射的變化，就像有一個 WiFi 發射器在發送信號一樣。隨后，這些信號會被塑料物體反射，就可以通過調節機械運動控制反射量。

據了解，為確保塑料物體能夠反射 WiFi 信號，研究人員采用的是具有導電特性的，包含銅、石墨烯屑的復合塑料細絲。

數據如何傳達？

創建了反射材料，擺在三人的下一個挑戰就是如何傳達收集到的數據。

為解決這一問題，三人的做法很巧妙——將由基本字符 0、1 組成的二進制語言對應為 3D 打印的塑料齒輪。

齒輪上有齒和無齒分別對應 0 位和 1 位，根據傳輸的 1 位或 0 位反映 WiFi 信號。

對此，Shyam Gollakota 解釋稱：

我們將天線設計成了兩部分，兩部分連接或斷開連接對應著 0 位和 1 位。

在這樣的布局中，三位研究者用到了許多傳感器和小部件的機械特性，旨在為反向散射設計提供動力。三人的巧思也體現在了設計中：按鈕能從用戶的交互中獲取能量、圓形塑料彈簧組合可以存儲能量。

商業場景設想

據 IEEE 報道，團隊已經面向 3D 打印愛好者公開了這一「塑料物聯網」的 CAD 模型。

這樣一來，大家可以 DIY IoT 設備了，可控制音樂音量的無電池滑桿、檢測到水管泄漏就向手機發送警報的傳感器都可以實現。

論文中也展示了 3D 打印的一種 WiFi 智能設備——一個汰漬洗衣液瓶子連著一個“余量測量計”，可以跟蹤洗滌劑的殘留量，并自動進行補充。

當然，如果腦洞夠大，設計一個自動在電商平臺下單的按鈕也并不是不可能，感覺雙十一搶貨有希望了！

即便公開了 CAD 模型，三位研究者也為自己的杰作設想了一個廣泛的商業應用場景，比如：

• 經用戶同意后，電商平臺可通過「塑料物聯網」了解用戶的購物體驗，并基于此對平臺功能進行改進；

• “即時醫療”場景下，對患者打開或關上藥瓶的時間或使用量進行監測。

可見，這種「塑料物聯網」不僅在萬物相連的方式上進行了創新，還可能在智能化時代改變我們的生活。

引用來源：

http://printedwifi.cs.washington.edu/

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/consumer-electronics/gadgets/plastic-internet-of-things-without-batteries-or-electronics

https://new.qq.com/omn/20200906/20200906A0F2R300.html

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