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【技术分享】仿生学应用之流体力学

日期:2022-04-20 作者:太阳集团tyc官方入口创研社 返回列表

再谈“黑科技”

对于黑科技,行内人和行外人的认知是不同的,而在行内人中,“懂了”的和“不懂”的人的认知也是不同的,“懂了”的人认为这只是一种应用,“不懂”的人会认为这是一种超越时代的新技术。所以,“黑科技”就是对一些超出了现有常识认知能力或已知科技能力的新型方案和技术的一种夸奖和认可。


这些年里,随着物联网跨行业化的智能演变,各种知识相互交融,火花四溅,随之而来的就是各种新技术、新应用或者新思路的不断突破,另外也随着半导体行业技术和工艺的升级换代,随着数字电子技术和模拟电子技术的发展,各种的不可能也逐渐走向可能。而在所有的黑科技里面,仿生学和半导体技术相结合所带来的黑科技是数量相对较多的一类,比如各种传感器的应用也可以属于这个范畴。当然,传感器应用目前已经属于认知化的技术,不属于“黑科技”了。本文所展开的内容也是讨论一种仿生学方面的新应用——自由的种子。

蒲公英种子的神奇

“蒲公英的花瓣落了,花托上长出了洁白的绒球。一阵阵风吹过,那可爱的绒球就变成了几十个小降落伞,在蓝天白云下随风飘荡。”这是小学语文书里面的一段话,我相信也有很多人有“一口气吹散蒲公英”的开心经历,这只是大自然里面一种植物传播种子的方法,大家知道了原由,也看到了过程,但是否有人会去寻思为什么蒲公英的种子可以长时间悬浮到远处而不坠落呢,只是因为种子轻吗。


最近看了一个期刊,有位学校教授基于《自然》杂志上的论文“A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion.”研究蒲公英种子的结构模型,从而模仿蒲公英种子长时间悬浮以分散到超广范围的能力来实现环境监测的一个低功耗平台。太阳集团tyc官方入口技术团队,作为致力于各种智能终端产品的绿色设计团队,我也特意去学习了此论文,关于蒲公英种子飞行时的神秘“涡旋环”。

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研究者通过一个垂直风洞、镭射激光和一个高速摄像机搭建了一个激光多普勒实验装置,从而扑捉蒲公英种子在空中飞行时的情况,发现一旦蒲公英种子被风吹离母株后就会自动调整为冠毛和体面平行而种子和地面垂直的状态;当空气穿过冠毛细丝后会在上方形成两个涡旋,并产生向上的拖拽力,从好保证了种子在空中飞行时的稳定性和足够的升力,使得种子可以稳定地飞的更远。同时研究人员用圆盘来模拟,在圆盘上面参考蒲公英种子一样留有很多细小间隙,然后对不同的间隙密度进行观察,发现蒲公英种子其特有的结构是产生稳定涡旋的原因,其间隙度是受到精确调控的,从而保证更有效地把种子扩散到远处。

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低功耗方案的应用

大家可以发现这个带冠毛的蒲公英种子有两个点,第一个点是轻盈,这是向下的重力部分;第二个点是细毛所组成特定间隙结构在空中飞舞时形成的涡旋,这是向上的拉力部分。这里面的向下的重力和向上的拉力是一个相对的关系,所以在智能电子产品应用上也可以从两个方向来设计,小而巧或大而有力。小而巧的设计重点在于超低功耗和环境能量的利用,而大而有力的设计重点在于结构对力学的极致放大。本文将着重于小而巧的智能应用设计。


一、动力来源

如前文所述,结构所带来的流体力学部分作为产品在空中悬浮并漂移的动力,但是这个动力并不能用于智能产品的电子部分的动力来源。那么,什么样的动力来源是最适合的呢?

首先,作为一个移动的智能终端产品,有线供电必然不是可用的方案。其次,通过如异型电池、纽扣电池等电池来进行供电的方法,在小而巧的方案设计里面,电池的重量会极大程度地影响产品设计的规格,也不适合。所以最适合的就是绿色能源供电。

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Energy Harvesting

作为绿色能源,常用的有光能、机械能、温差能、风能、射频能等,这些都是大家所熟悉的一些环境能,对于本文所描述的方案,光能和射频能是优选,其中光能的局限在于黑夜里使用,而作为射频能的局限在于环境中是否有射频源的存在,所以在室外白天工作的优选光伏能,而在室内固定环境或者室外小范围环境下可以使用射频能。


二、主平台选择

作为一个智能小终端,主平台必须要有下面两个能力:一是算力,可满足平台集成和传感器采集以及简单算法等各种需求;二是通信能力,以最低的功耗完成数据信息的交互和传递。

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ATM3/ATM33

这是一款集合了MCU处理芯片和BLE通信芯片于一体的超低功耗单芯片解决方案平台,平台处理芯片分为16MHz主频的M0和64MHz的M33F两种,可以适应不同的算力需求。内嵌电源管理模块,可以直接收集各种微能量用于芯片供电,启动电压只有1.65v,功率为30μW,并且可以为外部设备提供最高1.8V的供电能力。

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整个平台拥有超低的功耗数据,特别是在射频方面拥有全球最低的功耗规格。在0dBm情况下蓝牙发射时芯片整体功耗为2.5mA@3V,接收时为0.9mA@3V,保留内存时的休眠功耗为2μA@3V,深度休眠更是可以达到0.8μA@3V。以下是一组产品功耗的实测数据,其中的电流为整机电流,而不仅仅是射频部分的电流:在4dBm的蓝牙发射功率下,每间隔2秒钟在三个广播通道发送31个字节的广播数据,分别测试在3.0V、2.0V、1.8V供电下的功耗数据如下:

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脑力风暴

模拟了结构,推荐了平台,接下来就是脑力风暴形成黑科技方案了。轻盈、微风下悬浮飘扬、范围广……根据这些特征,有哪些应用呢?


一、防疫

设计产品可用于测试不同建筑模型下一些病毒可能的走向,根据射频信号追踪位置和密集度。

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二、工业防尘

设计产品可用于检测尘埃在某个地理位置的流动情况,从而用于合理安排一些工厂或存在尘粒污染的各种厂房的位置。

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三、环境探测

设计产品可用于探测一个较大范围内的各种环境数据,从而用于农业、水利等各方面的信息采集。

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好了,更多的脑力风暴等你来和我们一起发掘。


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