ساخت قاصدک‌های مصنوعیِ حسگرپاش با اقتباس از قاصدک‌های واقعی

با استفاده از حسگرهای بی‌سیم می‌توان تغییرات دما، رطوبت و دیگر شرایط محیطی را در پهنه‌های وسیعی همچون مزارع یا جنگل‌ها اندازه گرفت. حسگرهای بی‌سیم چون داده‌های ارزشمندی جمع‌آوری می‌کنند، کاربردهای متنوعی دارند. کشاورزی دیجیتال و نظارت بر تغییرات آب‌وهوا تنها برخی از کاربردهای حسگرهای بی‌سیم است. اما نصب صدها حسگر بی‌سیم در نواحی وسیع، هم زمان‌بر و هم پرهزینه است.

گروهی از پژوهشگران دانشگاه واشنگتن با اقتباس از نحوه پرواز قاصدک‌ها در باد و نحوه تخم‌پاشی آن‌ها وسیله کوچک و سبکی ساخته‌اند که همراه باد حرکت می‌کند و پس از پیمودن مسیر، در ناحیه موردننظر فرود می‌آید. وزن هر یک از تخم‌های قاصدک واقعی تنها یک میلی‌گرم است و با این‌که قاصدک مصنوعی دانشگاه واشنتگن حدوداً 30 برابر سنگین‌تر است، اما هنگام وزش نسیم‌ ملایم نیز می‌تواند تا 100 متر در هوا راه بپیماید. این حسگرهای شناور در باد را با پهپاد در آسمان رها می‌کنند. هر قاصدک‌ مصنوعی تا 4 حسگر بی‌سیم دارد. بخش الکترونیکی این قاصدک‌های حسگرپاش، انرژی موردنیاز را از صفحه‌های خورشیدی ریزی که روی‌ قاصدک‌ها تعبیه شده است دریافت می‌کند. هر قاصدک وقتی به زمین می‌رسد، می‌تواند داده‌های گردآوری‌شونده توسط حسگرهایش را تا 60 متر دورتر مخابره کند.

شیام گولاکوتا از استادان علوم و مهندسی رایانه دانشگاه واشنگتن می‌گوید، با هر پهپاد می‌توان هزاران نمونه از این وسیله را طی تنها یک پرواز رهاسازی کرد و شبکه‌ای از حسگرها تشکیل داد که هر کدام‌ آن‌ها داده‌های محیط اطرافش را به مرکز مخابره می‌کند. نصب این تعداد حسگر با دست شاید ماه‌ها زمان ببرد.

ساختار قاصدک‌های مصنوعی توزیع‌کننده حسگرهای بی‌سیم

باتوجه به‌اینکه قاصدک‌های مصنوعی صفحه الکترونیکی هم داشتند، ساخت آن‌ها چالش‌برانگیز بود، زیرا کل قطعه باید تقریبا مثل دانه قاصدک واقعی سبک می‌بود. در گام نخست، شکل ظاهری قاصدک مصنوعی را باید طوری طراحی می‌کردند که بتواند سوار بر نسیم، حرکت کند و سپس روی زمین بیافتد و بغلتد. محققان 75 طرح را آزمودند تا بدانند وقتی قاصدک‌های مصنوعی در باد شناورند، اصطلاحا حداکثر سرعت حدِ آن‌ها (terminal velocity) چقدر است.

قاصدک‌های واقعی، نقطه‌ای مرکزی دارند که شاخک‌های قاصدک همگی به آن‌ نقطه وصل هستند. شاخک‌ها مثل چتر عمل می‌کنند و سرعت سقوط قاصدک را کاهش می‌دهند. محققان ساختار قاصدک‌ها را مبنای طراحی خود قرار دادند. هرچه وزن قاصدک مصنوعی افزایش می‌یافت، شاخک‌ها هنگام سقوط بیشتر به سمت درون خم می‌شدند. لذا محققان دور شاخک‌ها یک حلقه نیز تعبیه کردند تا شاخک‌ها در جای‌شان استوارتر باشند. با این کار، شاخک‌ها کمتر خم می‌شدند و دایره‌ بازتر و بزرگتری تشکیل می‌دادند تا قطعه با سرعت کمتری فرود آید (مثل چتری که هرچه بزرگتر باشد، هوای بیشتری را زیر بال خود می‌گیرد و سرعت سقوط چترباز را کاهش می‌دهد.)

باتوجه به‌اینکه قاصدک‌های مصنوعی بورد الکترونیکی هم داشتند، باید برق آن‌ها تامین می‌شد. محققان به‌جای باتری، روی قاصدک‌ها صفحه‌های خورشیدی ریز تعبیه کردند تا قاصدک حتی‌الامکان سبک باشد. هنگام فرود قاصدک، صفحه‌های خورشیدی 95 درصد مواقع روبه‌بالا هستند. شکل و ساختار این حسگرپاش‌ها طوری است که مثل تخم قاصدک واقعی در هوا چرخ می‌خورند و عمودی روی زمین فرود می‌آیند.

اما سامانه‌ مذکور چون باتری ندارد، نمی‌تواند شارژ نگه دارد. و چون فقط با باتری خورشیدی کار می‌کند، هنگام غروب آفتاب حسگرها از کار می‌افتد؛ صبح روز بعد نیز وقتی خورشید طلوع می‌کند، قاصدک مصنوعی اندکی انرژی لازم دارد تا مجددا به‌کار بیافتد.

ضمنا اکثر تراشه‌ها وقتی برای اولین بار روشن می‌شوند، برای مدتی کوتاه، انرژی نسبتا بیشتری را نشت می‌دهند و لذا قبل از این‌که اجرای فرامین را آغاز کند، ابتدا باید مطمئن شوید که درست کار می‌کند. حتی گوشی‌ها همراه و لپ‌تاپ‌ها نیز چنین هستند اما چون باتری دارند متوجه چنین پدیده‌ای نمی‌شوید.

چنین چالش‌هایی سبب شد تا محققان در بورد الکترونیکی، خازن نیز تعبیه کنند. خازن می‌تواند طی شب مقداری برق در خود ذخیره کند. با این راه‌کار، مدار الکترونیکی میزان ذخیره انرژی خود را اندازه می‌گیرد و همین‌که خورشید بالا آمد و انرژی بیشتری در دسترس واقع شد، تمام سامانه را روشن می‌کند.

قاصدک‌های مصنوعی حسگردار تا وقتی که آفتاب می‌تابد درباره دما، رطوبت، فشارهوا و میزان نور محیط داده مخابره می‌کنند و هنگام غروب آفتاب خاموش می‌شوند. صبح روز بعد با تابش مجدد آفتاب، حسگرها روشن می‌شوند و جمع‌آوری و ارسال داده را از سر می‌گیرند.

محققان طی بررسی‌ها و آزمایش‌های‌شان قاصدک‌های مصنوعی را با دست یا با پهپاد از ارتفاعات متفاوتی رها کردند تا نحوه حرکت آن‌ها درون باد را دریابند. پژوهشگران برای این‌که در هر نوبت رهاسازی، قاصدک‌ها را در نقاط مختلفی توزیع کنند ترفندی به‌کار بستند: آن‌ها شکل قاصدک‌های مختلف را اندکی تغییر دادند تا نحوه حرکت و بُرد آن‌ها در باد متفاوت باشد.

بی‌باتری بودن قاصدک‌های حسگرپاش مزیت دیگری هم دارد: آن‌ها به‌خاطر خالی شدن باتری از کار نمی‌افتند و تا وقتی که خراب نشده‌اند، هنگام روز پیوسته کار می‌کنند. البته محققان درباره پراکنده شدن این قطعات ریز الکترونیک در طبیعت و تبعات زیست‌محیطی آن‌ نگرانی‌هایی دارند. لذا در پی راهی هستند تا تجزیه‌پذیرتری آن‌ها در طبیعت را افزایش دهند.

ایکرام ایر، دانش‌یار دانشگاه واشنگتن و از نویسندگان مقاله مرتبط با این پروژه می‌گوید، این تازه نخستین گام است و آن‌ها مسیرهای متعددی پیشِ رو دارند. مثلا شاید به این نتیجه برسند که قاصدک‌های حامل حسگر را بزرگتر یا آن‌ها را طوری بسازند که هنگام سقوط تغییرشکل‌ دهند یا حتی پس از سقوط، بیشتر روی زمین بغلطند تا به ناحیه هدف نزدیکتر شوند.