De revolusjonerende sensorene som kan spare millioner av batterier

I sensorer av medisinsk utstyr og de som brukes til infrastrukturovervåking krever konstant energi, som vanligvis leveres av flåter av batterier som er bestemt til å gå tom og skiftes ut: ifølge en nylig EU-studie vil vi innen 2025 transformere ca. 78 millioner akkumulatorer per dag.

Med tanke på den økende etterspørselen etter enheter alltid-på, delvis på grunn av den massive bruken av dyp læring og AI-applikasjoner for kontroll og overvåking, er det et stadig mer presserende problem å finne en alternativ løsning til batteridrevne sensorer.

Et meget lovende eksperiment i denne forstand kommer fra en gruppe forskere fra Zürich polytekniske høgskole kjørt av Marc Serra-Garcia og ETH geofysikkprofessor Johan Robertsson: teamet utviklet en fullstendig passiv mekanisk sensor, i stand til å utføre dyplæringsoppgaver uten å bruke energi.

Robotikk, "farge"-sensoren som imiterer følsomheten til huden
Dette er hvordan AI-baserte systemer har skjulte moralske verdier ...

Alltid-på-sensorer uten batterier: studien

En forskergruppe fra ETH Zürich har nettopp publisert på "Avanserte funksjonelle materialer" en studie som beskriver funksjonen til en helt ny sensor som kan revolusjonere verden av integrerte batteridrevne enheter, som medisinske implantater og AI-drevne smartenheter.

I overvåkingssystemer installert på bygninger og infrastruktur, medisinsk utstyr og undervanns IoT som måler temperatur og CO2 i havvann krever konstant energi for å fungere. For øyeblikket er denne energien for det meste levert av batteri som ifølge en fersk EU-studie i gjennomsnitt varer i to år (eller mindre).

I følge forskningsprosjektundersøkelsen AKTIVERER, dette vil ta i årene som kommer produksjon av hundrevis av millioner batterier hvert år: hvis du ikke jobber for å forlenge batterilevetid, leser vi i studien, "innen 2025 vil vi kaste rundt 78 millioner hver dag ”, med tanke på bare de som mater IoT-enheter.

Forleng batterilevetiden det er absolutt en løsning, men det er også de som forfølger det ambisiøse prosjektet helt eliminere bruken av batterier for intelligente enheter som alltid er på: dette er tilfellet for teamet av ETH-forskere ledet av Marc Serra-Garcia e Johan Robertsson, som nylig utviklet (og patenterte) den første passive fononiske sensoren som er i stand til å utføre maskinlæringsoppgaver.

"Smarte" kontaktlinser for å utforske en ny verden
Den hellige gral av grønn kjemi: toksisitetsfrie fluorkjemikalier

Fononsensoren, et mekanisk nevralt nettverk

Il fononisk sensor utviklet av ETH-forskere er en kompleks mekanisk kalkulator som er i stand til å aktivere og gjenkjenne lyder på en analog og fullstendig passiv måte takket være dens spesielle struktur. Derfor, forklarer Serra-Garcia, "består utelukkende av silisium og inneholder verken giftige tungmetaller eller sjeldne jordarter, slik konvensjonelle elektroniske sensorer gjør".

questa mekanisk nevrale nettverk, som det er beskrevet i papiret, består det av dusinvis av mikrostrukturerte plater identiske eller lignende, forbundet med hverandre med bittesmå forbindelsesstenger som fungerer som myk og er knyttet til guder aktuatorer piezoelektrisk.

For å utvikle den komplekse utformingen av mikroplatene (vi snakker om en 380 µm silisiumskive), brukte forskerne datamodeller og algoritmer som definerte balansene og geometriene til mikrostrukturene til metamaterialet. Resultatet er en analog datamaskin i stand til å utføre oppgaver automatisk læring og oppnå mer enn 90 prosent nøyaktighet når det gjelder binær klassifisering.

Den utløsende hendelsen, den som konverterer stimulansen til et elektrisk signal, er lyd. Eller rettere sagt, de er enkeltord ytret av et menneske: den fononiske sensoren utviklet i laboratoriene til Sveits Innovasjonspark Zürich av Dübendorf begrenser seg ikke til å filtrere lyder, men konsentrerer seg ompassiv behandling av komplekse hendelser.

Et nevralt nettverk sammensatt av 81 elementer, heter det i patentsøknaden, er i stand til å skille mellom individuelle aktiveringsord (for eksempel "tre" og "fire").

Bærekraft i gruveindustrien: en stadig mer presserende utfordring
Sirkulær økonomi og elbiler: fremtiden er mye nærmere

Nulleffektsensoren som kan skille ord

I smarte enheter som skrittellere og pacemakere har som oppgave å oppdage en utløsende hendelse konvertere stimulansen til et elektrisk signal. Deteksjonsaktiviteten innebærer imidlertid energiforbruk selv når enhetene er i standby.

Det mekaniske nevrale nettverket utviklet ved ETH kan derimot oppdage en spesifikk hendelse helt passivt, med en null energiforbruk.

La sensorrespons den utløses av kraften til input-stimulusen: når hendelsen er oppdaget, responsen bruker energitilførsel for å drive en elektrisk krets: "Sensoren fungerer rent mekanisk og krever ingen ekstern strømkilde", forklarer professor Johan Robertsson, "den bruker ganske enkelt vibrasjonsenergien som finnes i lydbølger".

Når et bestemt ord uttales eller en bestemt tone eller støy genereres, vil lydbølge avgis får sensoren til å vibrere. Denne energien er da tilstrekkelig til å generere en liten elektrisk impuls som slår på en avslått elektronisk enhet.

Prototypen utviklet i Dübendorf i kantonen Zürich kan skille mellom ord si "tre" og "fire": Fordi ordet "fire" har mer lydenergi som resonerer med sensoren enn ordet "tre", vibrerer det sensoren, mens "tre" ikke gjør det.

Dette betyr, forklarer forskerne, at ordet "fire" kan brukes til å slå på en enhet eller utløse ytterligere prosesser, mens det å si "tre" skjer ingenting.

Kunstig intelligens og autonom kjøring: Motorsport kjører i mørket
Vann, gress og menneskelighet: de kognitive grensene for kunstig intelligens

Serra-Garcia: en solid prototype innen 2027

Nyere varianter av sensoren, forklarer forskerne, skal kunne skille opptil tolv forskjellige ord og de vil være mye mindre enn den patenterte prototypen, som er på størrelse med en palme: som de lærde forklarer, er målet å miniatyrisere teknologi.

De potensielle brukstilfellene for bl.a revolusjonerende batterifrie sensorer inkludere jordskjelv og bygningsovervåking: De kan brukes til å registrere bølgeenergi eller til å oppdage når en sprekk oppstår i betong.

Det er også interesse for overvåking av forlatte oljebrønner, forklarer forfatterne av studien: gassen som slipper ut av brønnene produserer en karakteristisk susing, og en sensor av denne typen kunne oppdage det uten å stadig forbruke strøm.

Serra-​Garcia ser også applikasjoner i føflekker Medisinsk utstyr, for eksempel cochleaimplantater, som krever permanent strømforsyning for signalbehandling via svært små batterier som må skiftes ut hver 12. time.

"Det er stor interesse for nullenergisensorer også i industrien, legger Serra-Garcia til, som nå jobber hos AMOLF i Nederland.

Lagets mål er å lansere en solid prototype innen 2027: "Hvis vi innen den tid ikke har klart å tiltrekke noens interesse", konkluderer forskeren, «Vi kunne finne vår egen oppstart".

Et 2024 preget av sytti år med CERN og innovasjon
WSense, dette er hvordan tingenes internett når havets dyp