Американские инженеры разработали компактный датчик массой чуть более 200 миллиграммов, который можно сбрасывать с маленьких дронов или насекомых, к примеру, мотыльков. Датчик закрепляется через механический замок, который можно дистанционно открыть, чтобы сбросить его на землю. После этого он может передавать данные о температуре и влажности на протяжении примерно двух лет.

Работа была представлена на конференции MobiCom 2020.

Существуют проекты, в которых необходимо распределять по территории множество датчиков, отслеживающих состояние окружающей среды: это могут быть как исследовательские проекты, так и прикладные, к примеру, фермерские хозяйства. Распределять множество датчиков вручную — долго, дорого, а зачастую и сложно из-за особенностей рельефа или растительности. Инженеры не первый год работают над созданием небольших автономных датчиков с низким энергопотреблением, которые можно сбрасывать сразу в большом количестве с больших дронов.

Разработчики из Вашингтонского университета под руководством Шиамната Голлакота (Shyamnath Gollakota) предложили оригинальную идею — распространять датчики на насекомых и миниатюрных дронах. И те, и другие за счет своего небольшого размера могут пролетать в местах, недоступных крупным дронам, а у насекомых, к тому же, гораздо более совершенная навигация, чем у дронов. Кроме того, они меньше, а продолжительность их полета — дольше.

Размер датчика — 8 на 10 миллиметров, а его масса — 203 миллиграмма. Сам датчик условно можно разбить на три части: аккумулятор массой 68 миллиграммов, датчики температуры и влажности с передатчиком и сопутствующей электроникой массой 98 миллиграммов и активный сцепляюший механизм массой 37 миллиграммов — основное нововведение, разработанное инженерами.

Конструкция электромагнитного замка / Vikram Iyer et al. / MobiCom 2020

По сути, механизм работает как замок: на стороне датчика есть две параллельные петли, между ними находится еще одна петля со стороны дрона или насекомого, а сквозь них проходит магнитный стержень. Вокруг стержня намотана катушка, через которую можно подать ток от конденсатора и заставить стержень сдвинуться вбок.

Изначально инженеры планировали использовать Bluetooth 5.0, но оказалось, что чипов, которые поддерживали бы передачу данных со скоростью менее 125 килобит в секунду и при этом были бы достаточно компактными и легкими, на текущий момент не существует. Из-за этого им пришлось использовать Bluetooth 4.0 и прибегнуть к обратной разработке протокола, чтобы добиться более экономичной передачи данных.

Кроме того, исследователи оптимизировали работу датчика, добавив в него аппаратный таймер, который на порядок снизил потребление тока в спящем режиме (до 35 наноампер). В результате они добились того, что датчик общей массой около 200 миллиграммов способен передавать по несколько десятков пакетов с данными в час, работая на протяжении примерно двух лет.

С датчиков собирать не только данные, но и их местоположение. Авторы предлагают делать это с помощью нескольких принимающих антенн и триангуляции.

Разработчики протестировали датчик на двух носителях: микроквадракоптере и мотыльке. Сначала они успешно протестировали работу замка и датчика на небольшом дроне, а затем прикрепили датчик на бражника табачного (Manduca sexta). Они поместили его в холодильник для обратимой холодной анастезии и прикрепили ему на грудную клетку датчик с помощью цианоакрилатного клея. После того, как мотылек проснулся, он полетел и инженеры смогли успешно сбросить датчик.

Группа Шиамната Голлакота разрабатывает и другие миниатюрные устройства, размещаемые на насекомых. Летом инженеры представили носимую камеру для жуков, которая может снимать видео, поворачивать объектив в нужную сторону и в реальном времени передавать кадры на смартфон.