再談“黑科技”
對(duì)于黑科技，行內(nèi)人和行外人的認(rèn)知是不同的，而在行內(nèi)人中，“懂了”的和“不懂”的人的認(rèn)知也是不同的，“懂了”的人認(rèn)為這只是一種應(yīng)用，“不懂”的人會(huì)認(rèn)為這是一種超越時(shí)代的新技術(shù)。所以，“黑科技”就是對(duì)一些超出了現(xiàn)有常識(shí)認(rèn)知能力或已知科技能力的新型方案和技術(shù)的一種夸獎(jiǎng)和認(rèn)可。
這些年里，隨著物聯(lián)網(wǎng)跨行業(yè)化的智能演變，各種知識(shí)相互交融，火花四濺，隨之而來(lái)的就是各種新技術(shù)、新應(yīng)用或者新思路的不斷突破，另外也隨著半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)和工藝的升級(jí)換代，隨著數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)的發(fā)展，各種的不可能也逐漸走向可能。而在所有的黑科技里面，仿生學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合所帶來(lái)的黑科技是數(shù)量相對(duì)較多的一類，比如各種傳感器的應(yīng)用也可以屬于這個(gè)范疇。當(dāng)然，傳感器應(yīng)用目前已經(jīng)屬于認(rèn)知化的技術(shù)，不屬于“黑科技”了。本文所展開(kāi)的內(nèi)容也是討論一種仿生學(xué)方面的新應(yīng)用——自由的種子。
蒲公英種子的神奇
“蒲公英的花瓣落了，花托上長(zhǎng)出了潔白的絨球。一陣陣風(fēng)吹過(guò)，那可愛(ài)的絨球就變成了幾十個(gè)小降落傘，在藍(lán)天白云下隨風(fēng)飄蕩。”這是小學(xué)語(yǔ)文書(shū)里面的一段話，我相信也有很多人有“一口氣吹散蒲公英”的開(kāi)心經(jīng)歷，這只是大自然里面一種植物傳播種子的方法，大家知道了原由，也看到了過(guò)程，但是否有人會(huì)去尋思為什么蒲公英的種子可以長(zhǎng)時(shí)間懸浮到遠(yuǎn)處而不墜落呢，只是因?yàn)榉N子輕嗎。
最近看了一個(gè)期刊，有位學(xué)校教授基于《自然》雜志上的論文“A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion.”研究蒲公英種子的結(jié)構(gòu)模型，從而模仿蒲公英種子長(zhǎng)時(shí)間懸浮以分散到超廣范圍的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的一個(gè)低功耗平臺(tái)。潤(rùn)欣科技技術(shù)團(tuán)隊(duì)，作為致力于各種智能終端產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，我也特意去學(xué)習(xí)了此論文，關(guān)于蒲公英種子飛行時(shí)的神秘“渦旋環(huán)”。
研究者通過(guò)一個(gè)垂直風(fēng)洞、鐳射激光和一個(gè)高速攝像機(jī)搭建了一個(gè)激光多普勒實(shí)驗(yàn)裝置，從而撲捉蒲公英種子在空中飛行時(shí)的情況，發(fā)現(xiàn)一旦蒲公英種子被風(fēng)吹離母株后就會(huì)自動(dòng)調(diào)整為冠毛和體面平行而種子和地面垂直的狀態(tài)；當(dāng)空氣穿過(guò)冠毛細(xì)絲后會(huì)在上方形成兩個(gè)渦旋，并產(chǎn)生向上的拖拽力，從好保證了種子在空中飛行時(shí)的穩(wěn)定性和足夠的升力，使得種子可以穩(wěn)定地飛的更遠(yuǎn)。同時(shí)研究人員用圓盤(pán)來(lái)模擬，在圓盤(pán)上面參考蒲公英種子一樣留有很多細(xì)小間隙，然后對(duì)不同的間隙密度進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)蒲公英種子其特有的結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生穩(wěn)定渦旋的原因，其間隙度是受到精確調(diào)控的，從而保證更有效地把種子擴(kuò)散到遠(yuǎn)處。
低功耗方案的應(yīng)用
大家可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)帶冠毛的蒲公英種子有兩個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)點(diǎn)是輕盈，這是向下的重力部分；第二個(gè)點(diǎn)是細(xì)毛所組成特定間隙結(jié)構(gòu)在空中飛舞時(shí)形成的渦旋，這是向上的拉力部分。這里面的向下的重力和向上的拉力是一個(gè)相對(duì)的關(guān)系，所以在智能電子產(chǎn)品應(yīng)用上也可以從兩個(gè)方向來(lái)設(shè)計(jì)，小而巧或大而有力。小而巧的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于超低功耗和環(huán)境能量的利用，而大而有力的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)的極致放大。本文將著重于小而巧的智能應(yīng)用設(shè)計(jì)。
一、動(dòng)力來(lái)源
如前文所述，結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的流體力學(xué)部分作為產(chǎn)品在空中懸浮并漂移的動(dòng)力，但是這個(gè)動(dòng)力并不能用于智能產(chǎn)品的電子部分的動(dòng)力來(lái)源。那么，什么樣的動(dòng)力來(lái)源是最適合的呢？
首先，作為一個(gè)移動(dòng)的智能終端產(chǎn)品，有線供電必然不是可用的方案。其次，通過(guò)如異型電池、紐扣電池等電池來(lái)進(jìn)行供電的方法，在小而巧的方案設(shè)計(jì)里面，電池的重量會(huì)極大程度地影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)格，也不適合。所以最適合的就是綠色能源供電。
Energy Harvesting
作為綠色能源，常用的有光能、機(jī)械能、溫差能、風(fēng)能、射頻能等，這些都是大家所熟悉的一些環(huán)境能，對(duì)于本文所描述的方案，光能和射頻能是優(yōu)選，其中光能的局限在于黑夜里使用，而作為射頻能的局限在于環(huán)境中是否有射頻源的存在，所以在室外白天工作的優(yōu)選光伏能，而在室內(nèi)固定環(huán)境或者室外小范圍環(huán)境下可以使用射頻能。
二、主平臺(tái)選擇
作為一個(gè)智能小終端，主平臺(tái)必須要有下面兩個(gè)能力：一是算力，可滿足平臺(tái)集成和傳感器采集以及簡(jiǎn)單算法等各種需求；二是通信能力，以最低的功耗完成數(shù)據(jù)信息的交互和傳遞。
ATM3/ATM33
這是一款集合了MCU處理芯片和BLE通信芯片于一體的超低功耗單芯片解決方案平臺(tái)，平臺(tái)處理芯片分為16MHz主頻的M0和64MHz的M33F兩種，可以適應(yīng)不同的算力需求。內(nèi)嵌電源管理模塊，可以直接收集各種微能量用于芯片供電，啟動(dòng)電壓只有1.65v，功率為30μW，并且可以為外部設(shè)備提供最高1.8V的供電能力。
整個(gè)平臺(tái)擁有超低的功耗數(shù)據(jù)，特別是在射頻方面擁有全球最低的功耗規(guī)格。在0dBm情況下藍(lán)牙發(fā)射時(shí)芯片整體功耗為2.5mA@3V，接收時(shí)為0.9mA@3V，保留內(nèi)存時(shí)的休眠功耗為2μA@3V，深度休眠更是可以達(dá)到0.8μA@3V。以下是一組產(chǎn)品功耗的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中的電流為整機(jī)電流，而不僅僅是射頻部分的電流：在4dBm的藍(lán)牙發(fā)射功率下，每間隔2秒鐘在三個(gè)廣播通道發(fā)送31個(gè)字節(jié)的廣播數(shù)據(jù)，分別測(cè)試在3.0V、2.0V、1.8V供電下的功耗數(shù)據(jù)如下：
腦力風(fēng)暴
模擬了結(jié)構(gòu)，推薦了平臺(tái)，接下來(lái)就是腦力風(fēng)暴形成黑科技方案了。輕盈、微風(fēng)下懸浮飄揚(yáng)、范圍廣……根據(jù)這些特征，有哪些應(yīng)用呢？
一、防疫
設(shè)計(jì)產(chǎn)品可用于測(cè)試不同建筑模型下一些病毒可能的走向，根據(jù)射頻信號(hào)追蹤位置和密集度。
二、工業(yè)防塵
設(shè)計(jì)產(chǎn)品可用于檢測(cè)塵埃在某個(gè)地理位置的流動(dòng)情況，從而用于合理安排一些工廠或存在塵粒污染的各種廠房的位置。
三、環(huán)境探測(cè)
設(shè)計(jì)產(chǎn)品可用于探測(cè)一個(gè)較大范圍內(nèi)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)，從而用于農(nóng)業(yè)、水利等各方面的信息采集。
好了，更多的腦力風(fēng)暴等你來(lái)和我們一起發(fā)掘。
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