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          沒有電池沒有芯片,這些塑料瓶子正在聯網

          摘要

          當家里的洗衣液瓶子可以自動續杯,生活中需要你操心的事就又少了一件。

          談到物聯網時,人們默認的理解是,裝有電池和芯片的,可以發射或接收信號的物品聯網。如今,這一印象可能要被打破了。 

          近日,IEEE(電氣電子工程師學會)的網站發布了一篇文章,介紹了一種新型的物聯網方式。一些不包含任何電子元器件,也沒有電池的塑料制品也可以聯網。比如洗衣液瓶子、藥瓶等,空了可以主動發射信號,如果后續連接網上自動下單操作,就能實現「自動續杯」。 

          這是一種來自華盛頓大學的 3D 打印塑料,這種塑料可以通過反射環境中的 Wi-Fi 信號與智能手機或其它連接 Wi-Fi 的設備通信。就好像在航海和野外探險中經常使用的日光信號鏡,通過反射太陽光發射信號,告知同伴位置和意圖。

          事實上,通過反射 Wi-Fi 信號實現傳輸并非新鮮事。早在 2014 年,華盛頓大學就研發出了一種叫做被動 Wi-Fi(Passive Wi-Fi)的技術。 

          電池之痛

          對于物聯網設備來說,電池一直是痛中之痛,因為終會有沒電的一天。 

          一般而言,物聯網設備的電池需要保持一年以上的使用壽命,而受制于體積及成本的考慮,這些設備中的電池往往帶電量并不大。這就要求設計人員需要盡最大可能降低功耗,以延長電池的使用時長。對于一些需要被植入人體的傳感器來說,電池更是痛點,因為每次更換電池都需要進行手術,伴隨而來的是健康安全風險。 

           當前仍在研發階段的智能隱形眼鏡 | 視覺中國

          基于這樣的需求,科研人員開始了研發低功耗芯片的坎坷之路。據專家介紹,目前主流無線協議需要發射功率最少達到 0dBm,即 1mW。考慮到發射機整體效率很低,只有 10% 左右,換算下來需要至少 10mW 的整體功耗。要想降低功耗,最直觀的辦法是提升發動機的效率,然而效果始終有限。 

          對于此,華盛頓大學的 Shyam Gollakota Joshua 教授想到了另辟蹊徑的辦法,并于 2014 年發表在通信行業的頂級會議 SIGCOMM 上。 

          其實這一原理早就在衛星通訊領域有所應用。由于衛星與地面基站距離遙遠,從衛星到基站的信號衰減幅度大,因此需要從衛星發射大功率信號。

          然而衛星不論從體積還是電力來說,都難以支撐如此強的信號的產生。因此工程師們采用迂回戰術,從地面發射強信號到衛星,再通過可以調制反射光的發射器調整地面信號,將正確的信號反射回地面。

           衛星不論從體積還是電力來說,都難以支撐如此強的信號的產生 | 視覺中國

          Joshua 教授在物聯網通信方面的創新與衛星通信的原理有異曲同工之妙。在物聯網設備中嵌入一種名為 Interscatter 的芯片,它可以將環境中的 Wi-Fi 信號調整為設備想要發射的信號,再由接收器進行解碼。只不過,雖然 Interscatter 芯片功耗超低,但仍舊需要電池驅動。 

          塑料聯網?

          本次 IEEE 文章介紹的新技術,正是 Joshua 教授在其被動 Wi-Fi 技術上的一種改進,但這項改進有可能是革命性的,因為它徹底去掉了電池。 

          簡單來說,研究人員將此前信息傳送方式中的 Interscatter 芯片通過另一種方式進行了表達。使用塑料、銅和石墨烯三種原料的混合,制造出一種新的復合材料,將這種材料與普通塑料按照一定的方式排布組合,并用 3D 打印技術制造出來,就擁有了可以對 Wi-Fi 信號進行編碼的部分,其意義等于 Interscatter 芯片。 

          新技術將機械運動轉化為信號反射的變化,進而可以傳遞數據。比如用這種技術制作一個可以調節音量大小的實體滑塊,當滑動滑塊時,滑塊在空間中所處位置的不同將帶來不同的反射結果。又比如用這項技術制作的水傳感器,當檢測到泄漏時,水位低于一定高度,設備的反射信號也與正常狀況有所差別。

          Passive Wi-Fi 原理圖 | 華盛頓大學

          目前,研究人員已經將這項技術的 CAD 模型開放給 3D 打印愛好者,以便后者制造自己的「聯網塑料制品」。 

          不過,這項技術還存在一些未解的難題。比如,當前研究人員用復合材料與普通塑料的交錯組合代表二進制編碼中的 0 和 1,原理類似齒輪的有齒和無齒。這種排列是低密度的,因此能反射的信號也是非常簡單的。 

          另外,由于設備的移動將導致反射信號的變化,因此目前而言,這種設備還不能是「便攜」的。再者,由于反射信號微弱,因此當空間中存在多個設備時,信號互相之間的干擾會非常明顯。并且,如何處理設備在空間中的散射信號互相之間的干擾更是一個難題。 

          盡管如此,研究人員仍舊認為這項技術擁有廣泛的市場空間。比如,當洗衣液、麥片等生產廠家使用這種瓶子進行產品包裝,并且能夠與用戶的手機連接,實現自動下單,構建完整的自動化下單鏈條,就能為商家帶來源源不斷的利潤。 

          革命性的技術在徹底落地之前,往往需要多年的優化與打磨,需要解決問題并且降低成本。就好像如今已經被廣泛使用的深度學習技術,在六十多年前剛剛誕生時是不可被想象的。若此次研發人員真的能夠找出克服上述問題的方法,我們有理由相信,這將是關系到下一代物聯網產品格局的革命性技術。 


          責任編輯:靖宇

          圖片來源:Mark Stone、華盛頓大學、視覺中國

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