通讯作者：Vikram Iyer, Shyamnath Gollakota
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04363-9
尽管大多数物种只有有限的迁移性，但植物覆盖了地球陆地的很大一部分，为了运输它们的繁殖体，许多植物进化出了利用风来散播种子的机制。例如，蒲公英种子有一种毛茸茸的丝状结构，这会降低其末端速度并在种子飘落到地面时帮助其定向。
植物利用风来运输种子对建立传感器网络来说非常有吸引力：在广阔的地理区域内分散大量低成本传感器以实现广域传感。然而，先前尝试的自动传感器网络分散数量级更大、更重的空气动力学结构或需要使用电池供电。
受自然启发，本文提出了一种利用风力进行扩散的无电池无线传感设备。本文的毫米级设备重量为30毫克，采用可编程的现成部件在基板上进行灵活设计，以实现各种传感和计算。该系统由轻型太阳能电池和能量收集电路供电，该电路对弱光和可变光条件具有鲁棒性，并具有支持数据传输的后向散射通信链路。为了实现太阳能收集所必需的大面积分散和垂直着陆，本文开发了一种受蒲公英启发的薄膜多孔结构，其最终速度可达每秒0.87±0.02米，而且空气动力稳定，垂直着陆概率超过95%。本文在室外环境的测试结果表明，这些设备可以在温和的微风中移动50-100米。最后，在自然系统中，个体种子形态的差异导致一些种子落得更近，另一些种子飞得更远。本文采用了类似的方法，并展示了如何通过调节结构的孔隙率和直径来实现不同器件的不同分散情况。
本文研究的受蒲公英种子的启发，开发了可以在借助风力进行运动的无电池无线设备。在自然界中看到的许多具有羽毛结构的利用风力分散的种子已经发展成小而轻的结构。虽然这种仿生结构具有很好的运动特性，但是，将其应用在无线无电池传感器将面临四个关键挑战（图1a-e）：
● 首先，这需要设计和制造类似于蒲公英种子的轻质增强结构。
● 其次，这需要所有电子组件相当小，包括计算平台、无线通信模块、传感器和电源电路。
● 第三，尽管太阳能发电收集消除了对电池的需求，但它引入了有限和间歇能源可用性的挑战。太阳能发电收集还需要电池面对太阳，这排除了使用传统的降落伞的思路，因为这些降落伞可能会折叠或缠结并堵塞太阳能电池，并为阻力结构增加空气动力学稳定性要求，因此需要该设备可以自动进行重新定向并直立着陆。
● 第四，为了防止着陆后传感器扎堆聚集在一起，需要在各个传感器中引入不同的形态，以确保它们在目标区域内广泛分布。
● 本文系统地测量了75种设计(三种材料，7-25.4μm，5种直径10-50mm，5种有效载荷，20-70mg)从2m高度坠落时的末端速度。由于精确模拟薄、变形、自由落体物体的流固相互作用的复杂性，本文进行了经验测量。结果表明，Cd随着雷诺数Re的减小而增加(图2a)；这与自然羽化种子和流动中的所有物体(例如球体、圆柱体)的趋势相似。本文注意到Cd最高的点是最小和最轻的，这为小型化提供了理论参考。
● 图2b显示了不同薄膜厚度下终端速度和传感器重量之间的关系。数据表明，如预期的那样，增加直径会导致较低的终端速度；然而，增加到30mm以上的尺寸产生效益会递减。其次，达到低于1 m/s的终端速度时， 即使中等微风（1-5 m/s）也可能导致风力扩散大于释放高度，因此传感器有效载荷将被限制在70 mg以下。第三，图2a，b与直觉相反，指出更大的膜厚(更高的质量结构)通常表现得更好。
● 本文还模拟了种子形态的变化，以获得对终端速度的进一步控制。除了从中心向外延伸的刚毛外，像牧草这样的植物还有正交的纤维。本文从这些数据中获得灵感，以产生图2c所示的网状图案。本文经验性地测量了图2c中所示的每个设计的终端速度，并将结果与图2d中的相比较。结果符合预期的趋势，即末端速度随着直径的增加而减小。
● 一般的电池供电的毫米级无线传感器通常使用小型蓝牙无线电进行通信，这些传感器需要外部元件，如晶体振荡器，其重量为166-248mg。为此，本文创新性地设计了一个反向散射通信系统，允许通过微控制器进行通信而不需要蓝牙。后向散射设备通过调制其天线阻抗来操作 (图3a)。
● 本文开发的反向散射设备的传输支持多个比特率，最低支持−111dBm（图3b）。本文在一个开放的区域（图3c）进行了4.8 kbps反向散射传输实验，发现数据包传输率为66-88%，最高传输距离可达41m，并且当每次传输重复两次时，传输率增加到84–98%（图3d）。
● 本文在室外不同的风速和高度落差达22m的情况下进行了实验。较高的下落高度允许传感器在较长的下降过程中被阵风携带得更远，并增加了方差(图4a-c)。在实验期间，风的方向与传感器行进的方向相同。本文还比较了两个在低风下的设计，以展示它们如何防止扎堆(图4d)。
● 本文还将在现实场景中评估本文的每个传感器。图4e-h显示了室外多个环境传感器的操作运行4.5小时的情况。图4h显示由于高度差异，气压测量与具有固定偏移的参考传感器高度相关。
● 图4i显示了当一辆紧凑型SUV在3m内以16km/h的速度行驶时，磁力计信号中的极性变化。较大的卡车将产生更强信号，并可以在更远的距离内被检测到，这为需要检测用于非法伐木或偷猎的车辆的场景提供了潜在的用途。
本文的工作采用了一种系统性的方法，使我们能够最大限度地减少系统重量，在低光照或可变光照条件下运行一系列计算和传感设备，并实现可以在外形尺寸较小的情况下在60 m的距离内进行反向散射通信。因此本文能够演示功能齐全的风分散无线传感系统，并在室外环境和现实世界的传感应用中对其进行评估。
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04363-9
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