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          【技術分享】仿生學應用之流體力學

          日期:2022-04-20 作者:潤欣科技創研社 返回列表

          再談“黑科技”

          對于黑科技,行內人和行外人的認知是不同的,而在行內人中,“懂了”的和“不懂”的人的認知也是不同的,“懂了”的人認為這只是一種應用,“不懂”的人會認為這是一種超越時代的新技術。所以,“黑科技”就是對一些超出了現有常識認知能力或已知科技能力的新型方案和技術的一種夸獎和認可。


          這些年里,隨著物聯網跨行業化的智能演變,各種知識相互交融,火花四濺,隨之而來的就是各種新技術、新應用或者新思路的不斷突破,另外也隨著半導體行業技術和工藝的升級換代,隨著數字電子技術和模擬電子技術的發展,各種的不可能也逐漸走向可能。而在所有的黑科技里面,仿生學和半導體技術相結合所帶來的黑科技是數量相對較多的一類,比如各種傳感器的應用也可以屬于這個范疇。當然,傳感器應用目前已經屬于認知化的技術,不屬于“黑科技”了。本文所展開的內容也是討論一種仿生學方面的新應用——自由的種子。

          蒲公英種子的神奇

          “蒲公英的花瓣落了,花托上長出了潔白的絨球。一陣陣風吹過,那可愛的絨球就變成了幾十個小降落傘,在藍天白云下隨風飄蕩。”這是小學語文書里面的一段話,我相信也有很多人有“一口氣吹散蒲公英”的開心經歷,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,也看到了過程,但是否有人會去尋思為什么蒲公英的種子可以長時間懸浮到遠處而不墜落呢,只是因為種子輕嗎。


          最近看了一個期刊,有位學校教授基于《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構模型,從而模仿蒲公英種子長時間懸浮以分散到超廣范圍的能力來實現環境監測的一個低功耗平臺。潤欣科技技術團隊,作為致力于各種智能終端產品的綠色設計團隊,我也特意去學習了此論文,關于蒲公英種子飛行時的神秘“渦旋環”。

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          研究者通過一個垂直風洞、鐳射激光和一個高速攝像機搭建了一個激光多普勒實驗裝置,從而撲捉蒲公英種子在空中飛行時的情況,發現一旦蒲公英種子被風吹離母株后就會自動調整為冠毛和體面平行而種子和地面垂直的狀態;當空氣穿過冠毛細絲后會在上方形成兩個渦旋,并產生向上的拖拽力,從好保證了種子在空中飛行時的穩定性和足夠的升力,使得種子可以穩定地飛的更遠。同時研究人員用圓盤來模擬,在圓盤上面參考蒲公英種子一樣留有很多細小間隙,然后對不同的間隙密度進行觀察,發現蒲公英種子其特有的結構是產生穩定渦旋的原因,其間隙度是受到精確調控的,從而保證更有效地把種子擴散到遠處。

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          低功耗方案的應用

          大家可以發現這個帶冠毛的蒲公英種子有兩個點,第一個點是輕盈,這是向下的重力部分;第二個點是細毛所組成特定間隙結構在空中飛舞時形成的渦旋,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相對的關系,所以在智能電子產品應用上也可以從兩個方向來設計,小而巧或大而有力。小而巧的設計重點在于超低功耗和環境能量的利用,而大而有力的設計重點在于結構對力學的極致放大。本文將著重于小而巧的智能應用設計。


          一、動力來源

          如前文所述,結構所帶來的流體力學部分作為產品在空中懸浮并漂移的動力,但是這個動力并不能用于智能產品的電子部分的動力來源。那么,什么樣的動力來源是最適合的呢?

          首先,作為一個移動的智能終端產品,有線供電必然不是可用的方案。其次,通過如異型電池、紐扣電池等電池來進行供電的方法,在小而巧的方案設計里面,電池的重量會極大程度地影響產品設計的規格,也不適合。所以最適合的就是綠色能源供電。

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          Energy Harvesting

          作為綠色能源,常用的有光能、機械能、溫差能、風能、射頻能等,這些都是大家所熟悉的一些環境能,對于本文所描述的方案,光能和射頻能是優選,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境中是否有射頻源的存在,所以在室外白天工作的優選光伏能,而在室內固定環境或者室外小范圍環境下可以使用射頻能。


          二、主平臺選擇

          作為一個智能小終端,主平臺必須要有下面兩個能力:一是算力,可滿足平臺集成和傳感器采集以及簡單算法等各種需求;二是通信能力,以最低的功耗完成數據信息的交互和傳遞。

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          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,平臺處理芯片分為16MHz主頻的M0和64MHz的M33F兩種,可以適應不同的算力需求。內嵌電源管理模塊,可以直接收集各種微能量用于芯片供電,啟動電壓只有1.65v,功率為30μW,并且可以為外部設備提供最高1.8V的供電能力。

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          整個平臺擁有超低的功耗數據,特別是在射頻方面擁有全球最低的功耗規格。在0dBm情況下藍牙發射時芯片整體功耗為2.5mA@3V,接收時為0.9mA@3V,保留內存時的休眠功耗為2μA@3V,深度休眠更是可以達到0.8μA@3V。以下是一組產品功耗的實測數據,其中的電流為整機電流,而不僅僅是射頻部分的電流:在4dBm的藍牙發射功率下,每間隔2秒鐘在三個廣播通道發送31個字節的廣播數據,分別測試在3.0V、2.0V、1.8V供電下的功耗數據如下:

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          腦力風暴

          模擬了結構,推薦了平臺,接下來就是腦力風暴形成黑科技方案了。輕盈、微風下懸浮飄揚、范圍廣……根據這些特征,有哪些應用呢?


          一、防疫

          設計產品可用于測試不同建筑模型下一些病毒可能的走向,根據射頻信號追蹤位置和密集度。

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          二、工業防塵

          設計產品可用于檢測塵埃在某個地理位置的流動情況,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。

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          三、環境探測

          設計產品可用于探測一個較大范圍內的各種環境數據,從而用于農業、水利等各方面的信息采集。

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          好了,更多的腦力風暴等你來和我們一起發掘。


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