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

物聯網時代即將到來，3D 打印的互聯網連接設備也必將成為未來物聯網中不可或缺的元素。在未來，無電WiFi連接的 3D 打印物件將應用于生活的各個方面，最終打造出一個物物互通的生態系統

試想一下，一瓶洗衣液能夠感知泡沫的下降，并且自動連接互聯網訂購更多的洗衣液，這是多么的神奇。現在，美國華盛頓大學的工程師們，就將這一想象變為了現實。3D 打印塑料物件和傳感器收集所需數據，并且與完全獨立連接WiFi的設備連接，最終實現了這一現象。

華盛頓大學的助理教授 Shyam Gollakota是此次研究的主要領導者，他形象地描述到：“當你把洗滌劑從瓶中倒出來時，通過齒輪轉動的速度你就會知道有多少液體流出來了，而通過 3D 打印開關和天線之間的相互作用就可以將這些數據無線傳輸到你的設備上，之后接收器可以跟蹤你剩下多少的洗滌劑，當它低于定量時，可以自動向你的 Amazon App發送一個信息來訂購更多的洗滌劑。”

在CAD (計算機輔助設計)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打印發燒友們就可以創造出非商用、無線連接智能設備的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，就能夠向另一臺設備發送有用的信息。”聯合作者、華盛頓大學電機工程的博士生Vikram lyer 這樣表示：“不過目前最大的挑戰是：如何只通過塑料無線接通WiFi, 過去從沒有人這樣做過。”

為實現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。在物理學中，反向散射指的是波、粒子或信號從它們來的方向反射回去。該技術也是“無源 WiFi”技術的核心組成部分。

無源WiFi技術同樣是由 Shyam Gollakota 教授發明的，曾被《麻省理工科技評論》評為 2016 年的“十大突破性技術”。無源 WiFi技術利用反向散射實現無線供電與 WiFi 的結合，可以利用周圍的無線電波信號作為電能源，并與 WiFi 網絡建立連接進行數據傳輸。

而在最新的成果中，他領導團隊設計的反向散射系統，是通過天線反射無線信號來實現數據的傳輸：由 WiFi 路由器或其他設備發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，從而實現數據信息的傳輸。

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

在反向散射系統中，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中，研究者們展示了3種不同的天線設計：偶極振子型(Dipole)、領結型 (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。領結狀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，并與信號發射源連接的普通單極天線進行比較發現，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。

除了重新設計天線外，研究團隊還打造了多種不同模式的開關。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，就需要不同的觸發開關使天線發生斷開與連接，進而改變天線的反射狀態。為此研究者們又發明了多種不同機制的開關，如懸臂式(Cantilever)、按鈕式 (Push button)、彈簧驅動式(Spring driven)。

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

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與天線的接觸時間。利用彈簧產生的能量就可以驅動這種齒輪系統，然后產生對應的反射信號，最后由 WiFi 接收器來對其進行解碼。當完成了以上的工作后，我們只需要把這些彈簧、齒輪、開關和物件利用 3D 打印技術打印出來，就可以實現無線連接了。

通過另一種塑料和鐵混合而成、3D 打印燈絲的磁性性能，研究者實現了 3D 打印物件的靜態信息編碼。利用靜態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。”現在，華盛頓大學網絡與移動系統實驗室的 3D 打印團隊還打印出了風速計、水表和刻度盤等小物件，它們同樣能夠自動地感知，將信息發送到其他與 WiFi 相連的設備上。

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備進行通信，從而實現豐富的家居“感知”生態系統，讓這些物件無縫地感知四周并與周圍環境進行互動。

物聯網時代即將到來，3D 打印的互聯網連接設備也必將成為未來物聯網中不可或缺的元素，其應用范圍廣泛，包括傳感、游戲、跟蹤和機器人等領域。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 打印物件將應用于生活的各個方面，最終打造出一個物物互通的生態系統。

編譯自《連線》《Engineer》雜志

（責任編輯 姜懿翀）