无电连接WiFi的3D打印物件

作者:编译/《中国民商》记者 李雨蒙

无电连接WiFi的3D打印物件

试想一下,一瓶洗衣液能够感知泡沫的下降,并且自动连接互联网订购更多的洗衣液,这是多么的神奇。现在,美国华盛顿大学的工程师们,就将这一想象变为了现实。3D 打印塑料物件和传感器收集所需数据,并且与完全独立连接WiFi的设备连接,最终实现了这一现象。

华盛顿大学的助理教授 Shyam Gollakota是此次研究的主要领导者,他形象地描述到:“当你把洗涤剂从瓶中倒出来时,通过齿轮转动的速度你就会知道有多少液体流出来了,而通过 3D 打印开关和天线之间的相互作用就可以将这些数据无线传输到你的设备上,之后接收器可以跟踪你剩下多少的洗涤剂,当它低于定量时,可以自动向你的 Amazon App发送一个信息来订购更多的洗涤剂。”

在CAD (计算机辅助设计)模型的辅助下,研究团队将此次研究成果向公众开放,研究者与3D打印发烧友们就可以创造出非商用、无线连接智能设备的3D打印物件了。比如,自动控制音量的无电滑块,一个在亚马逊自动网购玉米片的按钮等等。

“我们的目标是从你家3D打印机刚刚制造出的物件,就能够向另一台设备发送有用的信息。”联合作者、华盛顿大学电机工程的博士生Vikram lyer 这样表示:“不过目前最大的挑战是:如何只通过塑料无线接通WiFi, 过去从没有人这样做过。”

为实现3D打印物件与WiFi接收器的连通,研究团队使用了反向散射技术。在物理学中,反向散射指的是波、粒子或信号从它们来的方向反射回去。该技术也是“无源 WiFi”技术的核心组成部分。

无源WiFi技术同样是由 Shyam Gollakota 教授发明的,曾被《麻省理工科技评论》评为 2016 年的“十大突破性技术”。无源 WiFi技术利用反向散射实现无线供电与 WiFi 的结合,可以利用周围的无线电波信号作为电能源,并与 WiFi 网络建立连接进行数据传输。

而在最新的成果中,他领导团队设计的反向散射系统,是通过天线反射无线信号来实现数据的传输:由 WiFi 路由器或其他设备发出的信号会被天线反射回去,反射回去的信号再由WiFi接收器解码,从而实现数据信息的传输。

除此之外,研究团队也采用由弹簧、齿轮、开关等其他可3D打印的部件组成的机械运动系统,取代通常的电气元件组成的系统。新的系统同样可实现电气系统的一些功能。从原理上来看,这一系统还可以使无电池手表正常运转。

在反向散射系统中,天线被嵌入在3D 打印物件中,反射WiFi路由器信号并进行重新编码,最后由手机、电脑或其他设备的WiFi接收器对反射回来的信号进行解码。在这套反向散射系统中,研究者们展示了3种不同的天线设计:偶极振子型(Dipole)、领结型 (Bowtie)、片状型 (Patch)。

2.4GHz WiFi 频率的波长大概在6厘米左右,对于Dipole天线而言,其宽度很小约略只有半波长宽,很容易集合到3D打印物件中,并且天线具有宽横梁和低的指向性,因而可以进行灵活的安置。领结状Bowtie天线拥有较宽的横梁,而且比dipole具有更大的带宽,使其更能适应误差的存在。 片状 Patch 天线只可以从物件向外辐射信号,但相比其他两种天线具有更大的信号增益。

在2.4GHzWiFi频率下,研究者对三种天线的接收功率测试,并与信号发射源连接的普通单极天线进行比较发现,Dipole与Bowtie 天线获得功率几乎和普通的天线接收到的功率不相上下。

除了重新设计天线外,研究团队还打造了多种不同模式的开关。在生活中,存在着许多诸如推动或扭动的“天然按钮”,例如把洗衣液倒出瓶子,将锤子从工具台上拿走等物理行为。针对这些不同的物理运动,就需要不同的触发开关使天线发生断开与连接,进而改变天线的反射状态。为此研究者们又发明了多种不同机制的开关,如悬臂式 (Cantilever)、按钮式 (Push button)、弹簧驱动式 (Spring driven)。

这些开关各有所长,悬臂式开关与天线结合可以实现自动弹开,就好像我们的鼠标或键盘,天线可以间歇性连接。按钮式开关可以在更长时间保持天线状态。弹簧驱动式开关是对微小的力更加敏感,拥有更快的响应时间和更大的响应振幅。

除此之外,研究者还巧妙地将齿轮的缺失 (0) 与存在 (1) 来对信息进行编码,并改变齿轮的宽度和大小来控制反向散射开关与天线的接触时间。利用弹簧产生的能量就可以驱动这种齿轮系统,然后产生对应的反射信号,最后由 WiFi 接收器来对其进行解码。当完成了以上的工作后,我们只需要把这些弹簧、齿轮、开关和物件利用 3D 打印技术打印出来,就可以实现无线连接了。

通过另一种塑料和铁混合而成、3D 打印灯丝的磁性性能,研究者实现了 3D 打印物件的静态信息编码。利用静态编码就可以将条形码编写进货物,或者将物件使用信息编入,从而告诉机器人该如何与其进行交互。

华盛顿大学博士生、论文共同作者 Justin Chan 说到:“它看起来就像是一个普通的 3D 打印物件,但里面其实存在着不可见的信息,通过你的智能手机解码你就能看到这些信息。”现在,华盛顿大学网络与移动系统实验室的 3D 打印团队还打印出了风速计、水表和刻度盘等小物件,它们同样能够自动地感知,将信息发送到其他与 WiFi 相连的设备上。

研究团队所提供的如按钮、旋钮和滑动条等可 WiFi 连接的 3D 打印的小部件等也均可以定制,并与家中的其他智能设备进行通信,从而实现丰富的家居“感知”生态系统,让这些物件无缝地感知四周并与周围环境进行互动。

物联网时代即将到来,3D 打印的互联网连接设备也必将成为未来物联网中不可或缺的元素,其应用范围广泛,包括传感、游戏、跟踪和机器人等领域。3D打印爱好者们,也可以期待他们接下来的工作,有一天无电WiFi连接的 3D 打印物件将应用于生活的各个方面,最终打造出一个物物互通的生态系统。

编译自《连线》《Engineer》杂志

(责任编辑 姜懿翀)

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