普渡大学的研究人员构建了一种3D打印、开源的地下水流动传感器，用于替代美国地质调查局（USGS）仅拥有少量且价格高昂的专用设备，每个单元的组装成本仅需几百美元，仅为被取代商业硬件成本的一小部分。 这项正在申请专利的设备可投入监测井中，连续运行数月甚至数年，报告地下的水流情况。这项工作由普渡大学林业与自然资源系物联网与生态分析助理教授 Jacob Hosen 领导，并与开源硬件非营利组织 River Restoration Intelligence and Verification (RRIV) 合作完成。 资金来自 USGS 的下一代水观测系统，该机构旨在寻求更廉价、更快速的水数据。
可打印、可"烘烤"的传感器
该设备并非依赖单一昂贵的探头，而是通过热量来推断地下水的运动。电路板上搭载的温度传感器阵列，能够解析水流经土壤的速度和方向。 电子元件被封装在一个3D打印的外壳中，该外壳由团队在实验室直接设计、打印并迭代，这一流程使他们能在数小时内完成硬件修改，无需等待外部制造商。外壳的设计是难点所在，因为任何干扰水流的壳体都会破坏测量精度。Hosen 表示："设计精确传感器的关键在于创造一个不会扰乱水流的壳体。我们通过3D打印能重现土壤环境的纹理，使水以与流经土壤相同的方式流过传感器。"
传感器由雅各布·霍森（Jacob Hosen）手持。照片由普渡大学提供
制造过程特意保持小规模。团队从几家美国供应商处订购少量组件，其余所有工作均在实验室内使用一台3D打印机和一台经过特殊改装、用于回流焊接电子元件的烤面包机完成。 Hosen 说："我们只需几家美国供应商，然后在内部完成其余组装工作，每个单元的成本仅几百美元。这在大多数生态学实验室是做不到的。"在实验室内部制造设备还兼作教学工具。参与该项目的研究生和本科生能够学习到电路板组装、3D打印和原型迭代等技能，这些技能通常仅限于工程实验室，而非林业与自然资源系。
水下八个月无故障
迄今为止，早期耐久性测试是最有力的信号：传感器在连续水下运行了七到八个月而没有任何故障。 如果这一结果在大规模应用中也能保持，这些设备有望成为USGS监测井中的标准长期部署工具，设计用于数月到数年的不间断运行。数据传输采用双重方式保障：传感器通过 LoRa 网络进行无线传输（该网络由普渡大学农业IT部门在校园内搭建），同时将数据写入本地存储作为备份，确保即使在偏远地区网络连接不佳的情况下，读数也能完整保存。 普渡大学正在利用不断扩展的 LoRa 覆盖范围，在实地部署前于校园内测试设备的遥测功能。
全新实惠型传感器，正在申请专利。图片来源：普渡大学
首次大型现场测试计划在伊利诺伊州边界附近的坎卡基河沿岸的 USGS 场地进行，另有额外设备将安装在普渡大学的 ACRE 湿地用于水文研究。 Hosen 与 RRIV 的首席工程师 Zaven Arra 共同提出了这一概念；普渡大学农业与生物工程教授、印第安纳水资源研究中心主任 Keith Cherkauer 担任联合首席研究员。
该传感器的潜在应用远不止于学术水文学。Hosen 指出，它可用于为国防部追踪受污染的地下水羽流，监测数据中心从地下抽取的水量，以及在饱水土壤中评估建筑稳定性。 "任何有水在地下流动的地方，它都能派上用场，"Hosen 表示。
封闭市场中的开源硬件
普渡大学对专利的处理方式最能说明问题。该校通过普渡大学创新技术商业化办公室提交专利申请，目的并非出售许可，而是为了锁定设计的开源状态，这与 RRIV 的宗旨保持一致：构建一个足够密集、能追踪随时间变化的水监测开源平台。 这种差距是结构性的：当参考仪器的成本高昂到连 USGS 也仅拥有少量时，监测自然就变得稀疏了。
这一策略有近期的先例可循。2025年1月，斯特拉斯克莱德大学的研究人员发布了一款售价50英镑的开源3D打印显微镜，旨在让学校和诊所也能获得实验室级的显微能力。数月后，爱丁堡大学的一个团队开源了 Flex Printer，这是一台售价低于400英镑、能制造出软体机器人的机器，明确旨在拓宽这一长期被成本和专业知识壁垒所限制的领域的可及性。开源硬件在过去十年中一直在推动实验室设备的民主化。普渡大学押注的是，同样的逻辑也能在井底经受住八个月的考验。
来源：中国3D打印网编译文章！
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