編譯/《中國(guó)民商》記者 李雨蒙

無(wú)電連接WiFi的3D打印物件

編譯/《中國(guó)民商》記者 李雨蒙

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代即將到來(lái)，3D 打印的互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備也必將成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的元素。在未來(lái)，無(wú)電WiFi連接的 3D 打印物件將應(yīng)用于生活的各個(gè)方面，最終打造出一個(gè)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(dòng)連接互聯(lián)網(wǎng)訂購(gòu)更多的洗衣液，這是多么的神奇?，F(xiàn)在，美國(guó)華盛頓大學(xué)的工程師們，就將這一想象變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。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(dú)立連接WiFi的設(shè)備連接，最終實(shí)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(lái)時(shí)，通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度你就會(huì)知道有多少液體流出來(lái)了，而通過(guò) 3D 打印開(kāi)關(guān)和天線之間的相互作用就可以將這些數(shù)據(jù)無(wú)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(shí)，可以自動(dòng)向你的 Amazon App發(fā)送一個(gè)信息來(lái)訂購(gòu)更多的洗滌劑?！?/p>

在CAD (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型的輔助下，研究團(tuán)隊(duì)將此次研究成果向公眾開(kāi)放，研究者與3D打印發(fā)燒友們就可以創(chuàng)造出非商用、無(wú)線連接智能設(shè)備的3D打印物件了。比如，自動(dòng)控制音量的無(wú)電滑塊，一個(gè)在亞馬遜自動(dòng)網(wǎng)購(gòu)玉米片的按鈕等等。

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

為實(shí)現(xiàn)3D打印物件與WiFi接收器的連通，研究團(tuán)隊(duì)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(hào)從它們來(lái)的方向反射回去。該技術(shù)也是“無(wú)源 WiFi”技術(shù)的核心組成部分。

無(wú)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(píng)論》評(píng)為 2016 年的“十大突破性技術(shù)”。無(wú)源 WiFi技術(shù)利用反向散射實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電與 WiFi 的結(jié)合，可以利用周圍的無(wú)線電波信號(hào)作為電能源，并與 WiFi 網(wǎng)絡(luò)建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

而在最新的成果中，他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的反向散射系統(tǒng)，是通過(guò)天線反射無(wú)線信號(hào)來(lái)實(shí)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(hào)會(huì)被天線反射回去，反射回去的信號(hào)再由WiFi接收器解碼，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。

除此之外，研究團(tuán)隊(duì)也采用由彈簧、齒輪、開(kāi)關(guān)等其他可3D打印的部件組成的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的一些功能。從原理上來(lái)看，這一系統(tǒng)還可以使無(wú)電池手表正常運(yùn)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(hào)并進(jìn)行重新編碼，最后由手機(jī)、電腦或其他設(shè)備的WiFi接收器對(duì)反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)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(jì)：偶極振子型(Dipole)、領(lǐng)結(jié)型 (Bowtie)、片狀型 (Patch)。

2.4GHz WiFi 頻率的波長(zhǎng)大概在6厘米左右，對(duì)于Dipole天線而言，其寬度很小約略只有半波長(zhǎng)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(jìn)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(hào)，但相比其他兩種天線具有更大的信號(hào)增益。

在2.4GHzWiFi頻率下，研究者對(duì)三種天線的接收功率測(cè)試，并與信號(hào)發(fā)射源連接的普通單極天線進(jìn)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(jì)天線外，研究團(tuán)隊(duì)還打造了多種不同模式的開(kāi)關(guān)。在生活中，存在著許多諸如推動(dòng)或扭動(dòng)的“天然按鈕”，例如把洗衣液倒出瓶子，將錘子從工具臺(tái)上拿走等物理行為。針對(duì)這些不同的物理運(yùn)動(dòng)，就需要不同的觸發(fā)開(kāi)關(guān)使天線發(fā)生斷開(kāi)與連接，進(jìn)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(jī)制的開(kāi)關(guān)，如懸臂式(Cantilever)、按鈕式 (Push button)、彈簧驅(qū)動(dòng)式(Spring driven)。

這些開(kāi)關(guān)各有所長(zhǎng)，懸臂式開(kāi)關(guān)與天線結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)彈開(kāi)，就好像我們的鼠標(biāo)或鍵盤，天線可以間歇性連接。按鈕式開(kāi)關(guān)可以在更長(zhǎng)時(shí)間保持天線狀態(tài)。彈簧驅(qū)動(dòng)式開(kāi)關(guān)是對(duì)微小的力更加敏感，擁有更快的響應(yīng)時(shí)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(lái)對(duì)信息進(jìn)行編碼，并改變齒輪的寬度和大小來(lái)控制反向散射開(kāi)關(guān)與天線的接觸時(shí)間。利用彈簧產(chǎn)生的能量就可以驅(qū)動(dòng)這種齒輪系統(tǒng)，然后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的反射信號(hào)，最后由 WiFi 接收器來(lái)對(duì)其進(jìn)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(kāi)關(guān)和物件利用 3D 打印技術(shù)打印出來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接了。

通過(guò)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(shí)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(xiě)進(jìn)貨物，或者將物件使用信息編入，從而告訴機(jī)器人該如何與其進(jìn)行交互。

華盛頓大學(xué)博士生、論文共同作者 Justin Chan說(shuō)到：“它看起來(lái)就像是一個(gè)普通的 3D 打印物件，但里面其實(shí)存在著不可見(jiàn)的信息，通過(guò)你的智能手機(jī)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(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的 3D 打印團(tuán)隊(duì)還打印出了風(fēng)速計(jì)、水表和刻度盤等小物件，它們同樣能夠自動(dòng)地感知，將信息發(fā)送到其他與 WiFi 相連的設(shè)備上。

研究團(tuán)隊(duì)所提供的如按鈕、旋鈕和滑動(dòng)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(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)豐富的家居“感知”生態(tài)系統(tǒng)，讓這些物件無(wú)縫地感知四周并與周圍環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代即將到來(lái)，3D 打印的互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備也必將成為未來(lái)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(jī)器人等領(lǐng)域。3D打印愛(ài)好者們，也可以期待他們接下來(lái)的工作，有一天無(wú)電WiFi連接的 3D 打印物件將應(yīng)用于生活的各個(gè)方面，最終打造出一個(gè)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）