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我們的目標(biāo)是，不使用電池或任何電子元器件，3D 打印無(wú)線傳感器，輸入可以與智能手機(jī)和其他 WiFi 設(shè)備進(jìn)行通信的物體。

這種對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的新設(shè)想，來(lái)自于美國(guó)華盛頓大學(xué)副教授 Shyam Gollakota 和兩位在讀博士生 Vikram Iyer 和 Justin Chan。 

據(jù) IEEE 網(wǎng)站報(bào)道，早在 2017 年三人就公布了最初的研究成果，論文題為 3D printing wireless connected objects（3D 打印無(wú)線連接的設(shè)備），Vikram Iyer 和 Justin Chan 為共同一作。

那么，沒(méi)有了電池加持，物聯(lián)網(wǎng)靠什么實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物相連呢？

三人給出的答案是：塑料。

反向散射技術(shù)

首先需要解釋一個(gè)詞：「反向散射」（backscattering）。

物理學(xué)中，反向散射指波、粒子等從它們來(lái)的方向反射回去，它在天文學(xué)、攝影和醫(yī)學(xué)超聲檢查中有著廣泛應(yīng)用，我們都聽(tīng)過(guò)名字的雷達(dá)系統(tǒng)背后的基本原理也正是反向散射。

引申一下，這個(gè)詞還能理解為，設(shè)備自身不產(chǎn)生信號(hào)，只是反射傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，從而達(dá)到通信目的。

此前，市場(chǎng)研究公司 Gartner 曾發(fā)布了未來(lái) 5 年將出現(xiàn)的十大無(wú)線通信技術(shù)趨勢(shì)，其中有我們并不陌生的 WiFi、5G、V2X（無(wú)線車(chē)聯(lián)網(wǎng)）、長(zhǎng)距離無(wú)線充電等，也包括了反向散射技術(shù)。

據(jù)了解，反向散射技術(shù)可以以非常低的功耗發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用有一定的意義。

實(shí)際上華盛頓大學(xué)一直以來(lái)在這項(xiàng)技術(shù)上頗有建樹(shù)，比如：

• 實(shí)現(xiàn)了幾種無(wú)線通信協(xié)議之間的通信；

• 設(shè)計(jì)出了幾乎零功耗的設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳輸距離最高可達(dá) 2.8 千米；

• 開(kāi)發(fā)出了無(wú)需插電的視頻流方案，等等。

最為值得一提的是，2014 年一組來(lái)自華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)電池芯片（battery-less chips），這種芯片傳輸比特的兩種方式是：反射或不反射 WiFi 路由器的信號(hào)。通過(guò)這樣的反向散射，設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信只需通過(guò)調(diào)制其在空間中對(duì) WiFi 信號(hào)的反射。

「塑料物聯(lián)網(wǎng)」

而 Shyam Gollakota 教授三人的研究正是以這種無(wú)電池芯片為基礎(chǔ)展開(kāi)的。

據(jù) IEEE 報(bào)道，WiFi 反向散射系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)在于——需要多種電子元器件（主要包括能夠在反射和非反射狀態(tài)間切換的 RF 開(kāi)關(guān)、控制開(kāi)關(guān)從而編碼適當(dāng)數(shù)據(jù)的數(shù)字邏輯、以及對(duì)所有電子部件供電的電源/采集器）。

而三人研究最大的創(chuàng)新點(diǎn)就在于，將 WiFi 反向散射技術(shù)與 3D 打印技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)商用 3D 打印機(jī)創(chuàng)造了無(wú)線設(shè)備，再用塑料絲將其集成到一個(gè)單一的可計(jì)算設(shè)計(jì)中。

正如 Shyam Gollakota 所說(shuō)：

我們通過(guò)塑料物體實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳輸。

而 IEEE 也給基于這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)起了一個(gè)形象的稱(chēng)呼：IoPT（Internet of Plastic Things，塑料物聯(lián)網(wǎng)）。

擰瓶蓋提供動(dòng)力

自 2017 年發(fā)表了最初研究成果以來(lái)，三人的研究并未結(jié)束，他們的一個(gè)想法是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)為設(shè)備提供動(dòng)力。

如何做到呢？很簡(jiǎn)單！

當(dāng)我們擰開(kāi)清潔劑塑料瓶的時(shí)候，擰瓶蓋這個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的動(dòng)作就能為數(shù)據(jù)傳輸提供動(dòng)力。

具體來(lái)講，擰瓶蓋的機(jī)械動(dòng)作將會(huì)轉(zhuǎn)化為天線反射的變化，就像有一個(gè) WiFi 發(fā)射器在發(fā)送信號(hào)一樣。隨后，這些信號(hào)會(huì)被塑料物體反射，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制反射量。

據(jù)了解，為確保塑料物體能夠反射 WiFi 信號(hào)，研究人員采用的是具有導(dǎo)電特性的，包含銅、石墨烯屑的復(fù)合塑料細(xì)絲。

數(shù)據(jù)如何傳達(dá)？

創(chuàng)建了反射材料，擺在三人的下一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何傳達(dá)收集到的數(shù)據(jù)。

為解決這一問(wèn)題，三人的做法很巧妙——將由基本字符 0、1 組成的二進(jìn)制語(yǔ)言對(duì)應(yīng)為 3D 打印的塑料齒輪。

齒輪上有齒和無(wú)齒分別對(duì)應(yīng) 0 位和 1 位，根據(jù)傳輸?shù)?1 位或 0 位反映 WiFi 信號(hào)。

對(duì)此，Shyam Gollakota 解釋稱(chēng)：

我們將天線設(shè)計(jì)成了兩部分，兩部分連接或斷開(kāi)連接對(duì)應(yīng)著 0 位和 1 位。

在這樣的布局中，三位研究者用到了許多傳感器和小部件的機(jī)械特性，旨在為反向散射設(shè)計(jì)提供動(dòng)力。三人的巧思也體現(xiàn)在了設(shè)計(jì)中：按鈕能從用戶的交互中獲取能量、圓形塑料彈簧組合可以存儲(chǔ)能量。

商業(yè)場(chǎng)景設(shè)想

據(jù) IEEE 報(bào)道，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)面向 3D 打印愛(ài)好者公開(kāi)了這一「塑料物聯(lián)網(wǎng)」的 CAD 模型。

這樣一來(lái)，大家可以 DIY IoT 設(shè)備了，可控制音樂(lè)音量的無(wú)電池滑桿、檢測(cè)到水管泄漏就向手機(jī)發(fā)送警報(bào)的傳感器都可以實(shí)現(xiàn)。

論文中也展示了 3D 打印的一種 WiFi 智能設(shè)備——一個(gè)汰漬洗衣液瓶子連著一個(gè)“余量測(cè)量計(jì)”，可以跟蹤洗滌劑的殘留量，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。

當(dāng)然，如果腦洞夠大，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)在電商平臺(tái)下單的按鈕也并不是不可能，感覺(jué)雙十一搶貨有希望了！

即便公開(kāi)了 CAD 模型，三位研究者也為自己的杰作設(shè)想了一個(gè)廣泛的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，比如：

• 經(jīng)用戶同意后，電商平臺(tái)可通過(guò)「塑料物聯(lián)網(wǎng)」了解用戶的購(gòu)物體驗(yàn)，并基于此對(duì)平臺(tái)功能進(jìn)行改進(jìn)；

• “即時(shí)醫(yī)療”場(chǎng)景下，對(duì)患者打開(kāi)或關(guān)上藥瓶的時(shí)間或使用量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

可見(jiàn)，這種「塑料物聯(lián)網(wǎng)」不僅在萬(wàn)物相連的方式上進(jìn)行了創(chuàng)新，還可能在智能化時(shí)代改變我們的生活。