没电池没芯片，塑料瓶也能传输通信？

华盛顿大学的研究人员发明一种技术，可以使用3D打印的塑料制造一种设备，在没有电池的情况下也可以进行数据的传输和设备之间的通信。

当技术人员谈论「物联网」时，他们经常忽略这样一个事实：「所有这些相互连接的东西需要电池和电子设备来完成收集和处理数据的工作，同时他们也在相互通信」。

本文报道的这项工作是更具挑战性的，当你考虑到许多物体的时候，我们希望连接是由塑料产生的，而没有电子器件嵌入其中。

不用电池和芯片，3D打印塑料IoT设备

现在，华盛顿大学的研究人员发明了一种使用3D 打印塑料来制造一种设备的方法，这种设备可以与智能手机或其他 Wi-Fi 设备通信，而不需要电池或电子设备。

这项研究建立在华盛顿大学2014年以前的工作基础上，当时另一个研究小组使用了无电池芯片，这种芯片通过「反射或不反射」两种状态经由 Wi-Fi 路由器的信号来传输比特，利用这种反向散射，设备通过调制其在空间中对 Wi-Fi 信号的反射来进行通信。

现有 Wi-Fi 反向散射系统的挑战在于，它们需要多种电子元件，包括可以在反射状态和非反射状态之间切换的射频开关、控制开关对适当数据进行编码的数字逻辑电路，以及为所有这些电子元件提供动力的电源。

在这项最新的研究中，华盛顿大学的研究小组已经能够利用这种 Wi-Fi 反向散射技术制造出3D 几何图形，并使用普通的3D 打印机创造出易于打印的无线设备。

为了实现这一目标，研究人员已经为这些电子元件制造了非电子和可打印的类似器件，并使用塑料丝将它们集成到一个单一的可计算设计中。

研究人员将他们的 CAD 模型提供给3D打印爱好者，这样他们就可以创建自己的物联网设备。这些设计包括一个控制音乐音量的免电池的滑块、一个从电子商务网站自动订购更多玉米片的按钮以及一个水传感器，当检测到泄漏时，它会向你的手机发送警报。

华盛顿大学的副教授 Shyam Gollakota 解释说: 「我们使用机械驱动这些塑料设备来无线传输信息」，他与学生 Vikram Iyer 和 Justin Chan 在2017年发表了他们关于这项研究的原始论文。

他们从最初的论文开始就一直在持续研究这项技术，利用机械运动为他们的实验对象提供动力。例如，当有人打开一个洗涤剂瓶子时，打开瓶盖的这个机械动作就为它提供了传输数据的动力。

「我们将这种机械运动转化为天线反射的变化从而传递数据，」 Gollakota 说，「假设有一个 Wi-Fi 发射器发送信号。这些信号反射塑料物体，我们就可以通过调节机械运动来控制来自塑料物体的反射量」。

为了确保塑料物体能够反射 Wi-Fi 信号，研究人员使用了具有导电性能的复合塑料丝材料，这些材料以塑料、铜和石墨烯的形式存在。

Gollakota 说: 「这些可以让我们使用现成的3D 打印机来打印这些物品，同时确保当周围环境中有 Wi-Fi 信号时，这些塑料物品可以通过使用这些复合塑料设计合适的天线来反射它们」。

下一个挑战：用齿轮解决0和1的通信问题

研究人员巧妙地将「0和1」的传统的信息编码成 3D 打印的塑料齿轮：0位和1位分别编码为齿轮上有齿和无齿。这些齿轮反映 WiFi 信号的不同取决于它们传输的是1位还是0位。

「解决这个问题的方法是你有一个天线的两个部分」， Gollakota 解释说，「当齿轮移动时，取决于我们使用的是0位还是1位，进而将天线的两个脱节的部分连接起来或者断开连接。这改变了无线接收器所接受到的反射波状态」。

在这种安排中，许多传感器和小部件的机械特性被用于驱动反向散射设计。通过使用这种设计，使用按键从用户交互中获取能量，以及圆形塑料弹簧的组合来储存能量。

Gollakota还补充说: 「在这项工作的最新版本中，我们展示了设备不仅可以发送无线数据，还可以存储物体在无线范围之外的使用信息，这些信息可以在人进入基站范围时通过按键上传」。

虽然研究人员正在将他们的技术商业化，使他们的 CAD 模型可以被3D打印爱好者使用，但同时他们也在为这项技术设想一个相当广阔的商业市场前景。例如，研究人员展示了一个洗涤剂瓶子的原型，当瓶子变空的时候可以发出提醒。

更重要的是，这项技术或许可以用于更加广阔的医疗场景，如跟踪药瓶的开启或关闭，或者胰岛素的使用剂量等，为新一代的微型医疗设备提供全新的思路。