無電連接WiFi的3D打印物件

編譯/《中國民商》記者 李雨蒙

無電連接WiFi的3D打印物件

編譯/《中國民商》記者 李雨蒙

物聯(lián)網(wǎng)時代即將到來，3D 打印的互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備也必將成為未來物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的元素。在未來，無電WiFi連接的 3D 打印物件將應(yīng)用于生活的各個方面，最終打造出一個物物互通的生態(tài)系統(tǒng)

試想一下，一瓶洗衣液能夠感知泡沫的下降，并且自動連接互聯(lián)網(wǎng)訂購更多的洗衣液，這是多么的神奇?，F(xiàn)在，美國華盛頓大學(xué)的工程師們，就將這一想象變?yōu)榱爽F(xiàn)實。3D 打印塑料物件和傳感器收集所需數(shù)據(jù)，并且與完全獨立連接WiFi的設(shè)備連接，最終實現(xiàn)了這一現(xiàn)象。

華盛頓大學(xué)的助理教授 Shyam Gollakota是此次研究的主要領(lǐng)導(dǎo)者，他形象地描述到：“當(dāng)你把洗滌劑從瓶中倒出來時，通過齒輪轉(zhuǎn)動的速度你就會知道有多少液體流出來了，而通過 3D 打印開關(guān)和天線之間的相互作用就可以將這些數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)侥愕脑O(shè)備上，之后接收器可以跟蹤你剩下多少的洗滌劑，當(dāng)它低于定量時，可以自動向你的 Amazon App發(fā)送一個信息來訂購更多的洗滌劑?！?/p>

在CAD (計算機輔助設(shè)計)模型的輔助下，研究團隊將此次研究成果向公眾開放，研究者與3D打印發(fā)燒友們就可以創(chuàng)造出非商用、無線連接智能設(shè)備的3D打印物件了。比如，自動控制音量的無電滑塊，一個在亞馬遜自動網(wǎng)購玉米片的按鈕等等。

“我們的目標是從你家3D打印機剛剛制造出的物件，就能夠向另一臺設(shè)備發(fā)送有用的信息?！甭?lián)合作者、華盛頓大學(xué)電機工程的博士生Vikram lyer 這樣表示：“不過目前最大的挑戰(zhàn)是：如何只通過塑料無線接通WiFi, 過去從沒有人這樣做過?！?/p>

為實現(xiàn)3D打印物件與WiFi接收器的連通，研究團隊使用了反向散射技術(shù)。在物理學(xué)中，反向散射指的是波、粒子或信號從它們來的方向反射回去。該技術(shù)也是“無源 WiFi”技術(shù)的核心組成部分。

無源WiFi技術(shù)同樣是由 Shyam Gollakota 教授發(fā)明的，曾被《麻省理工科技評論》評為 2016 年的“十大突破性技術(shù)”。無源 WiFi技術(shù)利用反向散射實現(xiàn)無線供電與 WiFi 的結(jié)合，可以利用周圍的無線電波信號作為電能源，并與 WiFi 網(wǎng)絡(luò)建立連接進行數(shù)據(jù)傳輸。

而在最新的成果中，他領(lǐng)導(dǎo)團隊設(shè)計的反向散射系統(tǒng)，是通過天線反射無線信號來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸：由 WiFi 路由器或其他設(shè)備發(fā)出的信號會被天線反射回去，反射回去的信號再由WiFi接收器解碼，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。

除此之外，研究團隊也采用由彈簧、齒輪、開關(guān)等其他可3D打印的部件組成的機械運動系統(tǒng)，取代通常的電氣元件組成的系統(tǒng)。新的系統(tǒng)同樣可實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的一些功能。從原理上來看，這一系統(tǒng)還可以使無電池手表正常運轉(zhuǎn)。

在反向散射系統(tǒng)中，天線被嵌入在3D 打印物件中，反射WiFi路由器信號并進行重新編碼，最后由手機、電腦或其他設(shè)備的WiFi接收器對反射回來的信號進行解碼。在這套反向散射系統(tǒng)中，研究者們展示了3種不同的天線設(shè)計：偶極振子型(Dipole)、領(lǐng)結(jié)型 (Bowtie)、片狀型 (Patch)。

2.4GHz WiFi 頻率的波長大概在6厘米左右，對于Dipole天線而言，其寬度很小約略只有半波長寬，很容易集合到3D打印物件中，并且天線具有寬橫梁和低的指向性，因而可以進行靈活的安置。領(lǐng)結(jié)狀Bowtie天線擁有較寬的橫梁，而且比dipole具有更大的帶寬，使其更能適應(yīng)誤差的存在。 片狀 Patch天線只可以從物件向外輻射信號，但相比其他兩種天線具有更大的信號增益。

在2.4GHzWiFi頻率下，研究者對三種天線的接收功率測試，并與信號發(fā)射源連接的普通單極天線進行比較發(fā)現(xiàn)，Dipole與Bowtie 天線獲得功率幾乎和普通的天線接收到的功率不相上下。

除了重新設(shè)計天線外，研究團隊還打造了多種不同模式的開關(guān)。在生活中，存在著許多諸如推動或扭動的“天然按鈕”，例如把洗衣液倒出瓶子，將錘子從工具臺上拿走等物理行為。針對這些不同的物理運動，就需要不同的觸發(fā)開關(guān)使天線發(fā)生斷開與連接，進而改變天線的反射狀態(tài)。為此研究者們又發(fā)明了多種不同機制的開關(guān)，如懸臂式(Cantilever)、按鈕式 (Push button)、彈簧驅(qū)動式(Spring driven)。

這些開關(guān)各有所長，懸臂式開關(guān)與天線結(jié)合可以實現(xiàn)自動彈開，就好像我們的鼠標或鍵盤，天線可以間歇性連接。按鈕式開關(guān)可以在更長時間保持天線狀態(tài)。彈簧驅(qū)動式開關(guān)是對微小的力更加敏感，擁有更快的響應(yīng)時間和更大的響應(yīng)振幅。

除此之外，研究者還巧妙地將齒輪的缺失 (0)與存在 (1) 來對信息進行編碼，并改變齒輪的寬度和大小來控制反向散射開關(guān)與天線的接觸時間。利用彈簧產(chǎn)生的能量就可以驅(qū)動這種齒輪系統(tǒng)，然后產(chǎn)生對應(yīng)的反射信號，最后由 WiFi 接收器來對其進行解碼。當(dāng)完成了以上的工作后，我們只需要把這些彈簧、齒輪、開關(guān)和物件利用 3D 打印技術(shù)打印出來，就可以實現(xiàn)無線連接了。

通過另一種塑料和鐵混合而成、3D 打印燈絲的磁性性能，研究者實現(xiàn)了 3D 打印物件的靜態(tài)信息編碼。利用靜態(tài)編碼就可以將條形碼編寫進貨物，或者將物件使用信息編入，從而告訴機器人該如何與其進行交互。

華盛頓大學(xué)博士生、論文共同作者 Justin Chan說到：“它看起來就像是一個普通的 3D 打印物件，但里面其實存在著不可見的信息，通過你的智能手機解碼你就能看到這些信息?！爆F(xiàn)在，華盛頓大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與移動系統(tǒng)實驗室的 3D 打印團隊還打印出了風(fēng)速計、水表和刻度盤等小物件，它們同樣能夠自動地感知，將信息發(fā)送到其他與 WiFi 相連的設(shè)備上。

研究團隊所提供的如按鈕、旋鈕和滑動條等可WiFi 連接的 3D 打印的小部件等也均可以定制，并與家中的其他智能設(shè)備進行通信，從而實現(xiàn)豐富的家居“感知”生態(tài)系統(tǒng)，讓這些物件無縫地感知四周并與周圍環(huán)境進行互動。

物聯(lián)網(wǎng)時代即將到來，3D 打印的互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備也必將成為未來物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的元素，其應(yīng)用范圍廣泛，包括傳感、游戲、跟蹤和機器人等領(lǐng)域。3D打印愛好者們，也可以期待他們接下來的工作，有一天無電WiFi連接的 3D 打印物件將應(yīng)用于生活的各個方面，最終打造出一個物物互通的生態(tài)系統(tǒng)。

編譯自《連線》《Engineer》雜志

（責(zé)任編輯 姜懿翀）