Talking ScienceΕρευνητές στο ETH Zurich ανέπτυξαν έναν αισθητήρα που χρησιμοποιεί την ενέργεια από τα ηχητικά κύματα για τον έλεγχο ηλεκτρονικών συσκευών. Αυτό μια μέρα θα μπορούσε να εξοικονομήσει εκατομμύρια μπαταρίες.
Εν συντομία
- Οι ερευνητές αναπτύσσουν έναν νέο τύπο αισθητήρα που αντιδρά σε ορισμένα ηχητικά κύματα, προκαλώντας δόνηση.
- Ο αισθητήρας είναι ένα μεταϋλικό που αποκτά τις ιδιαίτερες ιδιότητές του μέσω της δόμησης του υλικού.
- Παθητικοί αισθητήρες ευαίσθητοι στον ήχο θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση κτιρίων, σεισμών ή ορισμένων ιατρικών συσκευών και για εξοικονόμηση εκατομμυρίων μπαταριών.
Οι αισθητήρες που παρακολουθούν υποδομές, όπως γέφυρες ή κτίρια, ή χρησιμοποιούνται σε ιατρικές συσκευές, όπως προθέσεις για κωφούς, απαιτούν συνεχή παροχή ρεύματος. Η ενέργεια για αυτό προέρχεται συνήθως από μπαταρίες, οι οποίες αντικαθίστανται μόλις αδειάσουν. Αυτό δημιουργεί τεράστιο πρόβλημα με τα απόβλητα. Μια μελέτη της ΕΕ προβλέπει ότι το 2025, 78 εκατομμύρια μπαταρίες θα καταλήγουν στα σκουπίδια κάθε μέρα.
Ένας νέος τύπος μηχανικού αισθητήρα, που αναπτύχθηκε από ερευνητές με επικεφαλής τον Marc Serra-Garcia και τον καθηγητή γεωφυσικής ETH Johan Robertsson, θα μπορούσε τώρα να προσφέρει μια θεραπεία. Οι δημιουργοί του έχουν ήδη υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την εφεύρεσή τους και έχουν παρουσιάσει τώρα την αρχή στο περιοδικό Advanced Functional Materials.
Ορισμένα ηχητικά κύματα προκαλούν δόνηση του αισθητήρα
«Ο αισθητήρας λειτουργεί καθαρά μηχανικά και δεν απαιτεί εξωτερική πηγή ενέργειας. Απλώς χρησιμοποιεί τη δονητική ενέργεια που περιέχεται στα ηχητικά κύματα», λέει ο Robertsson.
Κάθε φορά που εκφωνείται μια συγκεκριμένη λέξη ή δημιουργείται ένας συγκεκριμένος τόνος ή θόρυβος, τα ηχητικά κύματα που εκπέμπονται – και μόνο αυτά – προκαλούν δόνηση του αισθητήρα. Αυτή η ενέργεια είναι τότε αρκετή για να δημιουργήσει έναν μικροσκοπικό ηλεκτρικό παλμό που ενεργοποιεί μια ηλεκτρονική συσκευή που έχει απενεργοποιηθεί.
Το πρωτότυπο που ανέπτυξαν οι ερευνητές στο εργαστήριο του Robertsson στο Switzerland Innovation Park Zurich στο Dübendorf έχει ήδη κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Μπορεί να διακρίνει τις προφορικές λέξεις «τρία» και «τέσσερα». Επειδή η λέξη “τέσσερα” έχει περισσότερη ηχητική ενέργεια που αντηχεί με τον αισθητήρα σε σύγκριση με τη λέξη “τρία”, προκαλεί δόνηση στον αισθητήρα, ενώ το “τρία” όχι. Αυτό σημαίνει ότι η λέξη “τέσσερα” θα μπορούσε να ενεργοποιήσει μια συσκευή ή να ενεργοποιήσει περαιτέρω διαδικασίες. Τίποτα δεν θα γινόταν με το «τρία».
Οι νεότερες παραλλαγές του αισθητήρα θα πρέπει να μπορούν να διακρίνουν μεταξύ έως και δώδεκα διαφορετικών λέξεων, όπως τυπικές εντολές μηχανής όπως “on”, “off”, “up” και “down”. Σε σύγκριση με το πρωτότυπο σε μέγεθος παλάμης, οι νέες εκδόσεις είναι επίσης πολύ μικρότερες – περίπου στο μέγεθος μιας μικρογραφίας – και οι ερευνητές στοχεύουν να τις μικροποιήσουν περαιτέρω.
Μεταϋλικό χωρίς προβληματικές ουσίες
Ο αισθητήρας είναι αυτό που είναι γνωστό ως μεταϋλικό: δεν είναι το υλικό που χρησιμοποιείται που δίνει στον αισθητήρα τις ειδικές του ιδιότητες, αλλά μάλλον η δομή. «Ο αισθητήρας μας αποτελείται αποκλειστικά από σιλικόνη και δεν περιέχει ούτε τοξικά βαρέα μέταλλα ούτε σπάνιες γαίες, όπως κάνουν οι συμβατικοί ηλεκτρονικοί αισθητήρες», λέει η Serra-Garcia.
Ο αισθητήρας περιλαμβάνει δεκάδες πανομοιότυπες ή παρόμοια δομημένες πλάκες που συνδέονται μεταξύ τους μέσω μικροσκοπικών ράβδων. Αυτές οι ράβδοι σύνδεσης λειτουργούν σαν ελατήρια. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μοντέλα υπολογιστών και αλγόριθμους για να αναπτύξουν τον ειδικό σχεδιασμό αυτών των μικροδομημένων πλακών και να δουλέψουν πώς να τις συνδέσουν μεταξύ τους. Τα ελατήρια είναι αυτά που καθορίζουν εάν μια συγκεκριμένη πηγή ήχου θέτει σε κίνηση τον αισθητήρα ή όχι.
Υποδομή παρακολούθησης
Οι πιθανές περιπτώσεις χρήσης αυτών των αισθητήρων χωρίς μπαταρίες περιλαμβάνουν την παρακολούθηση σεισμών ή κτιρίων. Θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να εγγραφούν όταν ένα κτίριο αναπτύσσει μια ρωγμή που έχει τη σωστή ηχητική ή κυματική ενέργεια.
Υπάρχει επίσης ενδιαφέρον για αισθητήρες χωρίς μπαταρία για την παρακολούθηση παροπλισμένων γεωτρήσεων πετρελαίου. Το αέριο μπορεί να διαφύγει από διαρροές στις γεωτρήσεις, παράγοντας έναν χαρακτηριστικό ήχο συριγμού. Ένας τέτοιος μηχανικός αισθητήρας θα μπορούσε να ανιχνεύσει αυτό το σφύριγμα και να ενεργοποιήσει έναν συναγερμό χωρίς να καταναλώνει συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια – καθιστώντας τον πολύ φθηνότερο και απαιτώντας πολύ λιγότερη συντήρηση.
Αισθητήρας για ιατρικά εμφυτεύματα
Η Serra-Garcia βλέπει επίσης εφαρμογές σε ιατρικές συσκευές, όπως τα κοχλιακά εμφυτεύματα. Αυτές οι προθέσεις για κωφούς απαιτούν μόνιμη παροχή ρεύματος για επεξεργασία σήματος από μπαταρίες. Η τροφοδοσία τους βρίσκεται πίσω από το αυτί, όπου δεν υπάρχει χώρος για μεγάλα πακέτα μπαταριών. Αυτό σημαίνει ότι οι χρήστες τέτοιων συσκευών πρέπει να αντικαθιστούν τις μπαταρίες κάθε δώδεκα ώρες. Οι νέοι αισθητήρες θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη συνεχή μέτρηση της πίεσης των ματιών. «Δεν υπάρχει αρκετός χώρος στο μάτι για έναν αισθητήρα με μπαταρία», λέει.
«Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τους αισθητήρες μηδενικής ενέργειας και στη βιομηχανία», προσθέτει η Serra-Garcia. Δεν εργάζεται πλέον στο ETH αλλά στο AMOLF, ένα δημόσιο ερευνητικό ινστιτούτο στην Ολλανδία, όπου ο ίδιος και η ομάδα του βελτιώνουν τους μηχανικούς αισθητήρες. Στόχος τους είναι να λανσάρουν ένα συμπαγές πρωτότυπο μέχρι το 2027. «Αν δεν έχουμε καταφέρει να προσελκύσουμε το ενδιαφέρον κανενός μέχρι τότε, μπορεί να ιδρύσουμε τη δική μας start-up».
Aναδημοσίευση άρθρου του Peter Rüegg 29.01.2024 στο ETH News. Link to original article >
Πηγή: Dubček T, Moreno-Garcia D, Haag T, et al. In-Sensor Passive Speech Classification with Phononic Metamaterials. Adv. Funct. Mater. 2024, 2311877. DOI: external page10.1002/adfm.202311877call_made
