3D-printede sensorer fungerer helt uden batterier og elektronik

Illustration: University of Washington

En sensor, der automatisk bestiller nye havregryn eller vaskepulver, når pakken er ved at være tom, eller en vandsensor, der registrerer et sprunget vandrør. Det kræver i dag både batterier og elektronik, før de er forbundet med din smartphone. Men hvad hvis du helt kan undvære de to elementer, og i stedet nøjes med en lille 3D-printet sensor, der automatisk sender små datapakker via allerede eksisterende radiobølger i hjemmet.

Den idé har en gruppe forskere ved University of Washington arbejdet på i flere år, og nu har de fremlagt en række designs på billige 3D-printede sensorer, der kan kommunikere med din smartphone ved at reflektere eksisterende Wi-Fi-signaler i hjemmet.

Teknologien bag, Wi-Fi backscattering, fungerer ved at sensoren selektivt reflekterer indkommende radiobølger for at konstruere et nyt signal, lidt som en nødstedt kan sende et SOS-signal ved at reflektere solens stråler i et spejl. Sensoren bruger teknikken til at absorbere energi fra det indhentede Wi-Fi signal, som apparatet kan ændre til at drive egne kredsløb.

Wi-Fi backscattering er ikke en ny teknologi, og der findes i dag allerede virksomheder, der sælger batteriløse sensorer, eksempelvis Jeeva Wireless.

Forskere fra amerikanske MIT arbejder også på udvikle såkaldte rectennas, der konverterer vekselstrøm fra elektromagnetiske bølger, blandt andet fra wifi-signaler, til jævnstrøm. Ved at transportere vekselstrøm fra radiobølger igennem en lille halvleder konverteres strømmen til jævnstrøm, som kan bruges til elektroniske enheder såsom sensorer, eller til at oplade batterier.

Men de nye 3D-printede sensorer fra University of Washington er de første, hvor elektronikken, i form af små mikrochips, også er skåret væk

Det er nogenlunde samme metode som vi kender fra de små RFID-chips, som smartphones og andre kontaktløse enheder bruger. Forskellen er, at de har brug for en specialiseret RFID-læser og kun kan kommunikere over kort afstand, fordi de reflekterede signaler er svage, og RFID-læseren i sig selv er en forstyrrelse af signalet.

Læs også: Ny teknologi høster energi fra wifi-signaler og radioer

Tænder eller ej

De nye CAD-modeller til 3D-print inkluderer blandt andet en volume-knap til musikafspilning, en knap der automatisk bestiller nye cornflakes online, når pakken er tæt på at være tom, og en sensor, der registrer lækager og sender en alarm til din telefon, hvis et vandrør sprænger. Alt sammen uden batterier og mikrochips.

»Vi bruger mekanisk bevægelse til at transmittere information trådløst fra de her plastobjekter. Vi oversætter den mekaniske bevægelse til ændringer i antenne-reflektioner for at kommunikere data. Vi kan kontrollere mængden af refleksioner, der kommer fra plastobjektet ved at modulere med dets mekaniske bevægelser,« siger Shyam Gollakota, lektor ved University of Washington til mediet IEEE Spectrum, der oprindeligt publicerede ideen om 3D-printede plastsensorer for tre år siden.

De bruger altså de mekaniske bevægelser fra en enhed som energikilde. For at være sikker på, at plastsensorerne reflekterer Wi-Fi-signalerne ordentligt, bliver der blandet kobber og grafen i det platmateriale, som der 3D-printes med.

Når bliver den type bevægelser så oversat til nuller og ettaller med en mikrochip, som så giver instruktioner til den software, der modtager input fra sensoren. Sådan er det ikke her, for der findes ikke en mikrochip i sensoren. Men hvordan bliver bevægelsen så omdannet til kode?

Løsningen er at bruge tænderne på et gear. 0 og 1 bliver repræsenteret ved tilstedeværelsen af en tand og fraværet af en tand.

»Man skal tænke det som at du har to dele af en antenne. I takt med at gearet bevæger og afhængigt af om vi bruger 0 eller 1 bit, forbinder eller afbryder vi de to adskilte dele af antenne, Det ændrer de reflektioner som den trådløse modtager opfanger,« siger Shyam Gollakota til IEEE Spectrum.

Illustration: University of Washington

Mange bristede drømme om selvforsynende elektronik

Har du adgang til en 3D-printer, så har forskerne lagt deres 3D-modeller frit ud, så du kan kopiere dem.

Selv om de første prototyper ser en anelse skrøbelige ud, så er hele intentionen med de batteri- og elektronikfrie sensorer at presse prisen ned, og undgå løbende udskiftninger af batterier.

Ideen er at lade elektronik høste energi fra omgivelser er langt fra ny og her på Ingeniøren har vi tidligere set mange forudsigelser der indtil videre ikke er indfriet.

»Snart vil mobiltelefonen kunne oplades med en frisk gåtur«, »strømforsyningen bliver overflødig« og »i fremtiden vil sikkerhedskameraer, temperatur-sensorer og røgalarmer aldrig skulle have skiftet batteri«.

Læs også: Selvforsynende elektronik snegler sig frem

Det er bare nogle af de forudsigelser, forskere og virksomheder har luftet i Ingeniøren gennem de seneste mere end ti år. Men indtil videre har forudsigelserne ikke holdt vand, på trods af at der forskes i og udvikles mange forskellige metoder til energihøst. I dag er det nemlig yderst begrænset, hvor mange sensorer og andre små trådløse elektriske produkter, der rent faktisk henter deres energi fra omgivelserne og ikke fra et konventionelt batteri.

Om de nye 3D-printede sensorer uden batteri og elektronik ender i bunken af selvforsynende sensorer der aldrig rigtigt bliver kommercielt tilgængelige eller om det faktisk bliver en succes - det må tiden vise.

Læs også: Nye trådløse teknologier sluger miljøbelastende batterier