IoT ワイヤレスセンサーネットワークノードの積層造形用モジュラープラットフォーム

出典: MEMS

モノのインターネット (IoT) 向けに開発された重要な機能は、ワイヤレスセンサーネットワーク (WSN) を通じて実現できるリアルタイムの環境監視です。 WSN は、環境全体に分散され、制御 IoT ネットワークにレポートする多数のセンサーノードで構成されています。センサーノードは、温度、湿度、光の強度、振動、ガスなど、さまざまな種類の環境データを測定できます。センサーノードが関連情報をベースステーションに送信すると、制御 IoT ネットワークがこのデータを評価し、必要に応じてアクションを実行します。

WSN は、スマート農業、スマートホーム、スマートインフラストラクチャ、極限環境モニタリング、スマート製造において重要なアプリケーションです。これらのシステムが推進できるより広範な目標の 1 つは、環境の持続可能性です。

WSN を真に実装するには、これらのセンサーノードは小型かつ低コストである必要があります。 WSN ノードの製造に使用できる製造プロセスは多数ありますが、積層造形は特に魅力的なプロセスの 1 つです。この技術は複数のノードを持つ WSN の構築に適しており、積層造形は小型で低コストのデバイスを製造するための信頼性が高くスケーラブルな方法です。付加製造により、迅速かつコスト効率の高いプロトタイピングが可能になります。付加製造では、減算製造のように大きなサンプルから材料を除去するのではなく、材料を堆積させるため、無駄が少なくなります。また、従来の技術では製造が難しいカスタムジオメトリの作成も可能になります。

付加製造は、WSN センシングノードで使用できるさまざまなコンポーネントを製造するために使用されてきた多目的テクノロジです。付加的に製造されたセンサーは、圧力、湿度、温度、食品の腐敗、ガス、鉛のレベルなど、さまざまな環境変数を測定できます。付加製造技術は、アンテナ、RFID タグ、RF バックスキャッタフロントエンドシステムの製造にも使用できます。これらのコンポーネントは個別に開発されているため、完全に積層製造された WSN での実用的なアプリケーションを実現するには、統合研究が必要です。

これらのコンポーネントはさまざまな機能を実行できるため、これらのさまざまなサブシステムを統合するには全体的なプラットフォームが必要です。適切なソリューションは、すべてのセンサーノードを単一のプロセスで製造できるほど十分に標準化されている一方で、さまざまなアプリケーション向けにさまざまなセンサーノードを設計できるほど十分に柔軟であるという 2 つの要件を満たす必要があります。

MEMSコンサルティングによると、米国ジョージア工科大学の研究者らは、単一の製造プロセスを使用してさまざまな積層造形コンポーネントを選択して組み合わせることができる「プラグアンドプレイ」ソリューションを提供するWSN統合プラットフォームを提案したという。このスキームは、現在のアンサンブル手法の欠点を解決することを目的としています。研究結果は「Scientific Reports」誌に掲載された。

この研究は、IoT アプリケーション向けに完全に統合され、完全に印刷されたワイヤレスセンサーノードを提供します。この研究のために製作された概念実証ノード。1 cm x 1 cm x 2 cm の直方体のさまざまな面に積層造形コンポーネントが配置されています。概念実証設計は、抵抗温度センサー、ベースバンド回路、バックスキャッターフロントエンド、アンテナという、すべて積層造形プロセスを使用して製造される 4 つの主要コンポーネントで構成されています。研究者らは、これらすべてのコンポーネントを、プラットフォーム全体を再設計することなく、さまざまな設計目標に基づいて交換できるモジュール要素として扱うことを提案しています。

WSN アプリケーションの多様性を考慮すると、「マジックキューブ」として知られるこのプラットフォームは明らかな利点を示します。デバイスの個々のコンポーネントを作成する手順は、完全に統合されたノードを作成する手順とまったく同じです。その結果、新しい製造プロセスを開発することなく、デバイスの新しいコンポーネントのプロトタイプを作成できます。さらに、このアプローチにより、デバイスの複数の部品を直接印刷し、完全に統合されたユニットとして製造できるようになります。このプラットフォームとその「プラグアンドプレイ」アプローチにより、より多様なセンサーノードの設計と製造が可能になり、従来の方法よりも迅速な開発が可能になります。

ワイヤレスセンサーネットワークの必要性。 (a) 無線センサーネットワークの実際的な応用、(b) モジュラールービックキューブプラットフォームの利点。
「Magic Cube」プラットフォームの製造プロセスこのプラットフォームは、完全に統合され、完全に印刷されたワイヤレスセンサーノードの継続的な生産への扉を開きます。このプラットフォームの利点を最大限に活用するには、特定の製造プロセスを使用して他のコンポーネントを開発する必要があります。これには、センサー、アンテナ、電源、およびデバイスに追加機能を追加するその他のものが含まれます。特に興味深いのは、太陽電池をエネルギー収集システムに置き換えることで、十分な光がない環境でもデバイスを動作させることができるようになることです。さらに、単純なバックスキャッターフロントエンドを、より複雑なマイクロプロセッサベースの設計に置き換えることも可能です。これらのさらなる開発により、本稿で紹介した概念実証アプローチは、商業的に実現可能かつ実装可能なプラットフォームへと変貌することになります。

論文リンク:
https://doi.org/10.1038/s41598-023-49130-0

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