Senzorii revoluționari care pot economisi milioane de baterii

I Senzori a dispozitivelor medicale și a celor utilizate pentru monitorizarea infrastructurii necesită energie constantă, care este, în general, furnizată de flote de baterii destinate să se epuizeze și să fie înlocuite: conform unui studiu recent al Uniunii Europene, până în 2025 ne vom transforma aproximativ 78 de milioane de acumulatori pe zi.

Având în vedere cererea în creștere pentru dispozitive mereu-on, din cauza utilizării masive a aplicațiilor de deep learning și AI pentru control și monitorizare, găsirea unei soluții alternative la senzorii alimentați cu baterie este o problemă din ce în ce mai urgentă.

Un experiment foarte promițător în acest sens vine de la un grup de cercetători din Politehnica din Zurich condus de Marc Serra-Garcia și profesorul de geofizică ETH Johan Robertsson: echipa a dezvoltat a senzor mecanic complet pasiv, capabil să îndeplinească sarcini de învățare profundă fără a consuma energie.

Robotica, senzorul „culoare” care imită sensibilitatea pielii
Acesta este modul în care sistemele bazate pe AI au valori morale ascunse...

Senzori mereu porniți fără baterii: studiul

Un grup de cercetare de la ETH Zurich tocmai a publicat pe „Materiale funcționale avansate” un studiu care descrie funcționarea a senzor nou-nouț care ar putea revoluționa lumea dispozitivelor integrate alimentate cu baterii, cum ar fi implanturile medicale și dispozitivele inteligente alimentate cu inteligență artificială.

I sisteme de monitorizare instalate pe clădiri și infrastructuri, dispozitive medicale și cele subacvatice IoT care măsoară temperatura și CO2 în apele oceanice cere energie constantă pentru a putea funcționa. În acest moment, această energie este furnizată în mare parte de baterie care, conform unui studiu recent al UE, durează în medie doi ani (sau mai puțin).

Conform investigației proiectului de cercetare ACTIVĂ, acest lucru va dura în anii următori producerea a sute de milioane de baterii in fiecare an: daca nu lucrezi sa prelungesti durata de viață a bateriei, citim în studiu, „până în 2025 vom arunca aproximativ 78 de milioane în fiecare zi ”, luând în considerare doar cei care se hrănesc Dispozitive IoT.

Prelungiți durata de viață a bateriei este cu siguranță o soluție, dar sunt și cei care urmăresc proiectul ambițios al elimina complet utilizarea bateriilor pentru dispozitive inteligente mereu pornite: acesta este cazul echipei de cercetători ETH condusă de Marc Serra-Garcia e Johan Robertsson, care a dezvoltat recent (și a brevetat) primul senzor fononic pasiv capabil să realizeze sarcini de învățare automată.

Lentile de contact „inteligente” pentru a explora o lume nouă
Sfântul Graal al chimiei verzi: substanțe fluorochimice fără toxicitate

Senzorul de fonon, o rețea neuronală mecanică

Il senzor fononic dezvoltat de cercetătorii ETH este un calculator mecanic complex capabil să activeze și recunosc sunete într-un mod analog și complet pasiv datorită structurii sale particulare. Prin urmare, explică Serra-Garcia, „constă exclusiv din siliciu și nu conține nici metale grele toxice, nici pământuri rare, așa cum fac senzorii electronici convenționali".

acest rețea neuronală mecanică, așa cum este descris în lucrare, este alcătuit din zeci de plăci microstructurate identice sau asemănătoare, conectate între ele prin mici bare de legătură care funcționează ca Molle și sunt legate de zei actuatoare piezoelectric.

Pentru a dezvolta designul complex al micro-plăcilor (vorbim despre o placă de siliciu de 380 µm), cercetătorii au folosit modele computerizate și algoritmi care au definit echilibrele și geometriile microstructurilor meta-materialului. Rezultatul este a calculator analogic capabil să îndeplinească sarcini învățarea automată și obțineți o precizie mai mare de 90 la sută în ceea ce privește clasificarea binară.

Evenimentul declanșator, cel care transformă stimulul într-un semnal electric, este suna. Sau, mai degrabă, ei sunt cuvinte singure rostit de o fiinţă umană: senzorul fononic dezvoltat în laboratoarele de Parcul Inovației Elveția Zürich din Dübendorf nu se limitează la filtrarea sunetelor, ci se concentrează asupraprocesarea pasivă a evenimentelor complexe.

O rețea neuronală compusă din 81 de elemente, se arată în cererea de brevet, este capabilă să facă distincția între cuvintele de activare individuale (de exemplu, „trei” și „patru”).

Durabilitatea industriei miniere: o provocare din ce în ce mai urgentă
Economia circulară și mașinile electrice: viitorul este mult mai aproape

Senzorul cu putere zero care poate distinge cuvintele

I dispozitive inteligente precum pedometrele și stimulatoarele cardiace au sarcina de a detecta a eveniment declanșator transformând stimulul într-un semnal electric. Activitatea de detectare presupune insa un consum de energie chiar si atunci cand dispozitivele sunt in standby.

Rețeaua neuronală mecanică dezvoltată la ETH, pe de altă parte, poate detecta un anumit eveniment complet pasiv, cu o consum zero de energie.

La răspunsul senzorului este declanșat de puterea stimulului de intrare: odată ce evenimentul este detectat, răspunsul folosește aportul de energie pentru a alimenta un circuit electric: „Senzorul funcționează pur mecanic și nu necesită o sursă de alimentare externă„, explică profesorul Johan Robertsson, „folosește pur și simplu energia vibrațională conținută în undele sonore".

Ori de câte ori se pronunță un anumit cuvânt sau se generează un anumit ton sau zgomot, unde sonore emise provoacă vibrarea senzorului. Această energie este atunci suficientă pentru a genera a mic impuls electric care pornește un dispozitiv electronic oprit.

Prototipul dezvoltat la Dübendorf din Cantonul Zurich poate distinge între cuvinte spune „trei” și „patru”: deoarece cuvântul „patru” are mai multă energie sonoră care rezonează cu senzorul decât cuvântul „trei”, acesta vibrează senzorul, în timp ce „trei” nu.

Aceasta înseamnă, explică oamenii de știință, că cuvântul „patru” poate fi folosit pentru a porni un dispozitiv sau pentru a declanșa procese ulterioare, în timp ce spunând „trei” nu se întâmplă nimic.

Inteligență artificială și conducere autonomă: sportul cu motor rulează în întuneric
Apa, iarba și umanitatea: limitele cognitive ale inteligenței artificiale

Serra-Garcia: un prototip solid până în 2027

Variantele mai noi ale senzorului, explică cercetătorii, ar trebui să poată distinge până la douăsprezece cuvinte diferite și vor fi mult mai mici decât prototipul brevetat, care are dimensiunea unei palme: așa cum explică oamenii de știință, obiectivul este de a miniaturiza tehnologie.

Potențialele cazuri de utilizare pentru i senzori revoluționari fără baterie includ monitorizarea cutremurelor și a clădirilor: Pot fi folosite pentru a înregistra energia valurilor sau pentru a detecta când se dezvoltă o fisură în beton.

Există și interes în ceea ce privește monitorizarea sonde de petrol abandonate, explică autorii studiului: gazul care iese din puțuri produce un șuierat caracteristic, iar un senzor de acest tip l-ar putea detecta fără a consuma în mod constant curent electric.

Serra-Garcia vede aplicații și în alunițe dispozitive medicale, cum ar fi implanturile cohleare, care necesită alimentare permanentă pentru procesarea semnalului prin intermediul unor baterii foarte mici care trebuie înlocuite la fiecare 12 ore.

Există un mare interes pentru senzorii cu energie zero și în industrie”, adaugă Serra-Garcia, care lucrează acum la AMOLF din Olanda.

Scopul echipei sale este să lansează un prototip solid până în 2027: "Dacă până atunci nu am reușit să atragem interesul nimănui”, concluzionează cercetătorul, „Am putea înființa propriul nostru start-up".

Un 2024 marcat de șaptezeci de ani de CERN și inovație
WSense, așa ajunge Internetul lucrurilor în adâncurile mării