导读


美国华盛顿大学通过3D打印出的塑料物体和传感器,采集有用数据,而且无需电池或者通电,就能完全自主地与其他连接WiFi的设备进行通信。


背景


时下,诸多的创新科技,例如智能硬件、物联网、新材料、新能源、柔性电子等等,让我们的生活变得前所未有的方便和精彩。


今天让我们大胆设想一下如下的未来场景:无需电子器件,一瓶洗衣液就能自主地感知到其中的液体即将耗尽,自动连接互联网,订购更多的洗衣液


创新


美国华盛顿大学率先让这一切变为现实。他们3D打印出塑料物体和传感器,而这些塑料物体和传感器可以采集有用数据,并完全自主地与其他连接WiFi的设备进行通信。

(图片来源:参考资料【2】)

文章的合作领导作者、华盛顿大学电气工程博士生 Vikram
Iyer
表示,他们的目标是利用日常家用的3D打印机打印出一些物体,向其他设备发送有用信息。
但是最大的挑战在于:如何仅仅使用塑料和WiFi,实现无线通信。之前任何人都无法实现这项技术。


在一篇于11月30日发表在美国计算机协会计算机图形图像特别兴趣小组(SIGGRAPH )有关计算机图形和互动技术的展会上的论文中,科学家们详细描述了这项技术。


技术


为了实现3D打印物体与商用WiFi接收器之间的交互,团队采用了“反向散射”(backscatter )技术,让设备交换信息。


反向散射”技术,并不是设备自身产生Wi-Fi信号,而是通过邻近的移动设备的无线电信号传输创建Wi-Fi信号。设备只需要简单地反射现有信号,就可以达成交换信息的目的。


笔者之前介绍过华盛顿大学相关团队在这方面的研究成果。例如:他们利用“远程反向散射技术”,演示了一种几乎以零功率运行的设备,它传输数据的距离最高可达2.8千米。

(图片来源:Dennis Wise/华盛顿大学)


此外,华盛顿大学的科研人员还发明了一项调频后向散射技术,将我们生活中日常物品变为无线电台,与手机或者汽车进行通信并交换数据,功耗远低于蓝牙、WiFi等无线通信技术。例如,他们制作出“会唱歌”的海报,“会说话”的衣服等等。

(图片来源:华盛顿大学)

(图片来源:华盛顿大学)


团队设计出公开的CAD模型。通过这一模型,3D打印爱好者可以通过现有的商用塑料,设计出可以与其他智能设备进行无线通信的物体。团队通过弹簧、齿轮、开关以及其他3D打印的部件触发的机械运动,取代通常由电器元件,实现一些功能,并借鉴了机械(无需电池)手表的记时原理。

(图片来源:Mark Stone/华盛顿大学


反向散射系统使用天线,通过反射WiFi路由器或者其他设备发射的无线电信号,传输数据。WiFi接收器解码可以解码这些发射信号中蕴藏的信息。在这种情况下,3D打印物体中的天线由混合了塑料和铜的印花丝组成。


物理运动,例如按压按钮、洗衣液流出瓶子、转动旋钮、从一个重型工具箱中取出锤子,触发处于3D打印物体其他位置的齿轮和弹簧,引发导电开关间歇性的与天线连接或者断开,并且改变其反射状态。齿轮上的齿出现或者消失,代表了信息以1和0的形式编码。盘簧产生的能量驱动齿轮系统,齿轮齿的宽度和图案控制反向散射开关与天线之间的接触,产生的反射信号图案可被WiFi接收器解码。华盛顿大学Allen学院的副教授  Shyam Gollakota 表示:


“当你将洗涤剂从瓶子中倒出时,例如,齿轮的转动可以告诉你有多少洗涤剂流了出来。3D打印的开关与天线之间的交互无线地传输数据。然后,接收器可以追踪你还剩下多少洗涤剂,当它低于一定量时,它会自动发送一条信息给你的亚马逊应用程序订购更多洗涤剂。

(图片来源:Mark Stone/华盛顿大学


价值


华盛顿大学网络与移动系统实验团队打印了几个不同的工具,它们能够感知并成功地将信息发送至联网设备。


例如,他们制造了一个风速表,并将其固定在一个齿轮上。当齿轮旋转时,齿轮与嵌入物体的天线相连,然后天线就能反射周围的WiFi信号,而这个信号可以通过WiFi接收器解码。


(图片来源:华盛顿大学)

(图片来源:华盛顿大学)


他们还制作了一个秤和一个可以测量水流速度的流量计。


(图片来源:华盛顿大学)


另外,他们还打印了三个小部件——一个按钮、一个旋钮和一个滑块——它们都能通过类似的方式进行工作,可以用来与其他智能设备交换信息。

(图片来源:华盛顿大学)

(图片来源:华盛顿大学)

(图片来源:华盛顿大学)

这些3D打印的物体可以与家中其他智能设备进行通信,丰富了“会说话的物体”生态系统。


此外,团队还使用3D打印技术,制成各种由塑料和铁组成的丝线,并且利用在3D打印的物体中的磁性,无形地编码静态信息,例如:用于库存的条码识别,或者告诉机器人如何与其交互的物体信息。

(图片来源:华盛顿大学)

Allen 学院的博士生和合著者 Justin Chan 表示:


“它看上去就像一个普通的3D打印物体,里面有着不可见的信息,这些信息可以通过你的智能手机读取。”

关键字


无线通信WiFi3D打印


参考资料


【1】http://www.washington.edu/news/2017/12/05/in-first-3-d-printed-objects-connect-to-wifi-without-electronics/

【2】http://printedwifi.cs.washington.edu/printedwifi.pdf


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