“我们的目标是，不使用电池或任何电子元器件，3D 打印无线感测器，输入可以与智能手机和其他 Wi-Fi 装置进行通讯的物体。”这种对于物联网的新设想，来自于美国华盛顿大学副教授 Shyam Gollakota 和两位在读博士生 Vikram Iyer 和 Justin Chan。
据 IEEE 网站报导，早在 2017 年 3 人就公布了最初的研究成果，论文题为 3D printing wireless connected objects（3D 打印无线连接的装置），Vikram Iyer 和 Justin Chan 为共同作者。
那么，没有了电池加持，物联网靠什么实现万物相连呢？
3 人给出的答案是：塑胶。
反向散射技术
首先需要解释一个词：“反向散射”（backscattering）。
物理学中，反向散射指波、粒子等从它们来的方向反射回去，它在天文学、摄影和医学超音波检查中有着广泛应用，我们都听过名字的雷达系统背后的基本原理也正是反向散射。
引申一下，这个词还能理解为，装置自身不产生讯号，只是反射传输过来的讯号，进而达到通讯目的。
之前，市场研究公司 Gartner 曾发布了未来 5 年将出现的十大无线通讯技术趋势，其中有我们并不陌生的 Wi-Fi、5G、V2X（无线车联网）、长距离无线充电等，也包括了反向散射技术。
据了解，反向散射技术可以以非常低的功耗发送数据，对于物联网装置的应用有一定的意义。
实际上华盛顿大学一直以来在这项技术上颇有建树，比如：
- 实现了几种无线通讯协议之间的通讯。
- 设计出了几乎零功耗的装置，其数据传输距离最高可达 2.8 公里。
- 开发出了无需插电的视频流方案等。
最为值得一提的是，2014 年一组来自华盛顿大学的研究团队实现了一种无电池芯片（battery-less chips），这种芯片传输比特的两种方式是：反射或不反射 Wi-Fi 路由器的信号。透过这样的反向散射，装置实现通讯只需透过调制其在空间中对 Wi-Fi 信号的反射。
“塑胶物联网”
而 Shyam Gollakota 教授 3 人的研究正是以这种无电池芯片为基础展开的。
据 IEEE 报导，Wi-Fi 反向散射系统面临的一大挑战在于──需要多种电子元器件（主要包括能够在反射和非反射状态间切换的 RF 开关、控制开关进而编码适当数据的数位逻辑、以及对所有电子零件供电的电源 / 采集器）。
而 3 人研究最大的创新点就在于，将 Wi-Fi 反向散射技术与 3D 打印技术相结合，透过商用 3D 打印机创造了无线装置，再用塑胶丝将其集成到一个单一的可计算设计中。
正如 Shyam Gollakota 所说：
我们透过塑胶物体实现了无线传输。
（Source：华盛顿大学，以下同）
而 IEEE 也给基于这种设计实现的网络取了一个形象的称呼：IoPT（Internet of Plastic Things，塑胶物联网）。
转瓶盖提供动力
自 2017 年发表了最初研究成果以来，3 人的研究并未结束，他们的一个想法是利用机械运动为装置提供动力。如何做到呢？很简单！
当我们转开清洁剂塑胶瓶的时候，转瓶盖这个简单的动作就能为数据传输提供动力。具体来讲，转瓶盖的机械动作将会转化为天线反射的变化，就像有一个 Wi-Fi 发射器在发送讯号一样。随后，这些讯号会被塑胶物体反射，就可以透过调节机械运动控制反射量。
据了解，为确保塑胶物体能够反射 Wi-Fi 讯号，研究人员采用的是具有导电特性的，包含铜、石墨烯屑的复合塑胶细丝。
数据如何传达？
创建了反射材料，摆在 3 人的下一个挑战就是如何传达收集到的数据。
为解决这个问题，3 人的做法很巧妙──将由基本字元 0、1 组成的二进制语言对应为 3D 打印的塑胶齿轮。齿轮上有齿和无齿分别对应 0 位和 1 位，根据传输的 1 位或 0 位反映 Wi-Fi 讯号。
对此，Shyam Gollakota 解释：
我们将天线设计成两部分，两部分连接或断开连接对应着 0 位和 1 位。
在这样的布局中，3 位研究者用到许多感测器和小部件的机械特性，旨在为反向散射设计提供动力。3 人的巧思也体现在设计中：按钮能从用户的互动中获取能量、圆形塑胶弹簧组合可以储存能量。
商业场景设想
据 IEEE 报导，团队已经面向 3D 打印爱好者公开了这个“塑胶物联网”的 CAD 模型。
这样一来，大家可以 DIY IoT 装置了，可控制音乐音量的无电池滑杆、检测到水管漏水就向手机发送警报的感测器都可以实现。
论文中也展示了 3D 打印的一种 Wi-Fi 智慧装置──一个 Tide 洗衣液瓶子连着一个“余量测量计”，可以追踪洗涤剂的残留量，并自动进行补充。
当然，如果脑洞够大，设计一个自动在电商平台下单的按钮也并不是不可能，感觉双 11 抢货有希望了！
即便公开了 CAD 模型，3 位研究者也为自己的杰作设想了一个广泛的商业应用场景，比如：
- 经用户同意后，电商平台可透过“塑胶物联网”了解用户的购物体验，并基于此对平台功能进行改进。
- “即时医疗”场景下，对患者打开或关上药瓶的时间或使用量进行监测。
可见，这种“塑胶物联网”不仅在万物相连的方式上进行了创新，还可能在智慧化时代改变我们的生活。
- 3D Printing Wireless Sensors Without Electronics
- Here Comes the Internet of Plastic Things, No Batteries or Electronics Required
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：IEEE）
