普渡大學開發 3D 列印地下水感測器：為 USGS 提供低成本科學儀器解決方案

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普渡大學（Purdue University）的研究人員開發出一款 3D 列印的開源地下水流感測器，旨在作為美國地質調查局（USGS）現有昂貴專用感測器的替代方案。這款正在申請專利的裝置組裝成本僅需數百美元，僅為市售商用硬體成本的一小部分。

該計畫由普渡大學林業與自然資源系物聯網與生態分析助理教授 Jacob Hosen 領導，並與開源硬體非營利組織 River Restoration Intelligence and Verification (RRIV) 合作。資金來自 USGS 的「下一代水觀察系統」（NGWOS），該部門致力於開發更便宜、更快速的水資源數據收集技術。

可以3D列印並「烘烤」的感測器

該設備並非依賴單一昂貴的探頭，而是透過熱量推斷地下水的流動。電路板上裝有溫度感測器陣列，可以確定水在土壤中的流動速度和方向。電子元件安裝在一個3D列印的外殼內，該外殼由團隊在實驗室中直接設計、列印和迭代，形成一個循環，使他們能夠在數小時內修改硬件，而無需等待外部製造商。

事實證明，外殼的設計才是困難，因為任何會幹擾水流的外殼都會影響測量結果。 「設計一個精準的感測器，關鍵在於製造一個不會幹擾水流的外殼，」Hosen說。 “我們正在使用3D列印技術製作紋理，以模擬土壤環境，這樣水流經感測器的方式就和流經土壤的方式完全一樣。”

生產規模刻意控制在較小範圍內。團隊向美國供應商訂購少量零件，其餘所有工序均在內部完成，使用3D列印機和一台特殊的烤箱進行電子元件回流焊接。 “我們只需從美國幾家供應商採購所有部件，然後自行組裝，每台設備的成本僅幾百美元，」Hosen說道，“這在大多數生態實驗室是做不到的。”

自行製造這些設備同時也是一種教學工具。參與此計畫的研究生和本科生可以學習電路板組裝、3D列印和原型迭代等技能，這些技能通常僅限於工程實驗室，而不是林業和自然資源系。

水下運行八個月的耐用性測試

早期耐久性測試迄今為止是最有力的證明：感測器在水下連續運行了七到八個月而未發生故障。如果這種性能能夠大規模維持，這些設備有望成為美國地質調查局（USGS）井中的標準長期裝置，其設計用途是連續運作數月甚至數年，而非僅限於短期現場作業。

資料傳輸採用雙管齊下的方式。感測器透過普渡大學農業資訊科技團隊在校園內搭建的LoRa網路進行無線傳輸，同時將資料寫入本地儲存作為備份，從而確保即使在偏遠地區網路連線不穩定的情況下，資料也能保留下來。普渡大學正在利用其不斷擴展的LoRa網路覆蓋範圍，在正式部署前對校園內的遙測系統進行測試。

首次大型實地測試計畫在伊利諾州邊界附近的坎卡基河畔的美國地質調查局（USGS）場地進行，其他單位將放置在普渡大學的ACRE濕地用於水文研究。 Hosen與RRIV的首席工程師Zaven Arra共同開發了這個概念；農業與生物工程教授、印第安納州水資源研究中心主任Keith Cherkauer擔任聯合首席研究員。

新型經濟型感測器，專利申請中。圖片來自普渡大學。

 

其潛在用途遠不止於學術水文學。霍森指出，它可以用於為美國國防部追蹤受污染地下水羽流，監測資料中心從地下抽取的水量，以及評估建築物在飽和土壤中的穩定性。 「只要地下有水流動的地方，它都能發揮作用，」他說。

封閉市場中的開源硬體挑戰

普渡大學對這項專利的處理方式才是關鍵。它透過普渡創新技術商業化辦公室提交了申請，目的並非出售許可，而是將設計開源，這與RRIV的理念一致：一個足夠密集的開源水質監測平台，能夠追蹤水質隨時間的變化。目前的差距是結構性的，當參考儀器價格昂貴，甚至連美國地質調查局（USGS）都只能擁有少量時，監測工作就難以有效進行。

這種策略並非沒有先例。 2025年1月，斯特拉斯克萊德大學的研究人員發布了一款售價50英鎊的開源3D列印顯微鏡，旨在讓學校、診所和實驗室都能使用實驗室級的顯微鏡。幾個月後，愛丁堡大學的團隊開源了Flex Printer，這是一款售價低於400英鎊的機器，可以生產出功能齊全的軟體機器人，其目的就是為了擴大這一長期以來受成本和專業知識限制的領域的准入門檻。

開源硬體在過去十年中普及了實驗室技術。普渡大學則押注，同樣的邏輯在井底沉沒八個月後依然有效。

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