Revolucionarni senzori koji mogu uštedjeti milijune baterija

I senzori medicinskih uređaja i onih koji se koriste za nadzor infrastrukture zahtijevaju stalnu energiju, koja se općenito opskrbljuje flotom baterija kojima je suđeno da se isprazne i zamijene: prema nedavnoj studiji Europske unije, do 2025. transformirat ćemo približno 78 milijuna akumulatora dnevno.

S obzirom na sve veću potražnju za uređajima uvijek na, dijelom zbog masovne upotrebe dubinskog učenja i AI aplikacija za kontrolu i nadzor, pronalaženje alternativnog rješenja za senzore koji se napajaju baterijama sve je hitnije pitanje.

Vrlo obećavajući eksperiment u tom smislu dolazi od skupine istraživača iz Politehnika u Zurichu vođen od strane Marc Serra-​Garcia i profesor geofizike ETH Johan Robertsson: tim je razvio a potpuno pasivni mehanički senzor, sposobni za obavljanje zadataka dubokog učenja bez trošenja energije.

Robotika, senzor “boje” koji oponaša osjetljivost kože
Ovako sustavi temeljeni na umjetnoj inteligenciji imaju skrivene moralne vrijednosti...

Uvijek uključeni senzori bez baterija: studija

Istraživačka skupina s ETH Zurich upravo je objavila na “Napredni funkcionalni materijali” studija koja opisuje funkcioniranje a potpuno novi senzor koji bi mogao revolucionirati svijet integriranih uređaja na baterije, kao što su medicinski implantati i pametni uređaji napajani umjetnom inteligencijom.

I sustavi praćenja instaliran na zgradama i infrastrukturi, medicinske uređaje i podvodne IoT one koje mjere temperaturu i CO2 u oceanskim vodama zahtijevati stalna energija kako bi funkcionirao. U ovom trenutku, ovu energiju uglavnom osigurava baterija koji prema nedavnoj studiji EU traju u prosjeku dvije godine (ili manje).

Prema istraživanju istraživačkog projekta OMOGUĆAVA, to će trajati u godinama koje dolaze proizvodnju stotina milijuna baterija svake godine: ako ne radite na produljenju životni vijek baterije, čitamo u studiji, “do 2025. bacat ćemo oko 78 milijuna svaki dan “, uzimajući u obzir samo one koji se hrane IoT uređaji.

Produžite trajanje baterije to je svakako rješenje, ali ima i onih koji idu u ambiciozan projekt potpuno eliminirati korištenje baterija za uvijek uključene inteligentne uređaje: ovo je slučaj tima ETH istraživača na čelu s Marc Serra-​Garcia e Johan Robertsson, koja je nedavno razvila (i patentirala) prvi pasivni fononski senzor sposoban za obavljanje zadataka strojnog učenja.

"Pametne" kontaktne leće za istraživanje novog svijeta
Sveti gral zelene kemije: fluorokemikalije bez toksičnosti

Fononski senzor, mehanička neuronska mreža

Il fononski senzor koji su razvili istraživači ETH-a složen je mehanički kalkulator koji može aktivirati i prepoznati zvukove na analogan i potpuno pasivan način zahvaljujući svojoj posebnoj strukturi. Stoga, objašnjava Serra-​Garcia, "sastoji se isključivo od silicij i ne sadrži ni otrovne teške metale ni rijetke zemlje, kao što to čine konvencionalni elektronički senzori".

To mehanička neuronska mreža, kako je opisano u radu, sastoji se od desetaka mikrostrukturne ploče identične ili slične, međusobno povezane sićušnim spojnim šipkama koje funkcioniraju kao mekan i povezani su s bogovima aktuatori piezoelektrični.

Za razvoj složenog dizajna mikroploča (govorimo o silicijskoj ploči od 380 µm), istraživači su koristili računalne modele i algoritme koji su definirali ravnoteže i geometrije mikrostruktura metamaterijala. Rezultat je a analogno računalo sposobni za izvršavanje zadataka automatsko učenje i postići veću od 90 posto točnosti u smislu binarne klasifikacije.

Pokretni događaj, onaj koji pretvara podražaj u električni signal, je zvuk. Ili bolje rečeno, oni su pojedinačne riječi izgovoreno od strane ljudskog bića: fononski senzor razvijen u laboratorijima Švicarski inovacijski park Zürich iz Dübendorfa ne ograničava se na filtriranje zvukova, već se usredotočuje napasivna obrada složenih događaja.

Neuronska mreža sastavljena od 81 elementa, navodi se u patentnoj prijavi, sposobna je razlikovati pojedinačne aktivacijske riječi (primjerice, "tri" i "četiri").

Održivost rudarske industrije: sve hitniji izazov
Kružno gospodarstvo i električni automobili: budućnost je puno bliža

Senzor nulte snage koji može razlikovati riječi

I pametni uređaji poput pedometra i pacemakera imaju zadatak otkriti a pokretački događaj pretvaranje podražaja u električni signal. Aktivnost otkrivanja, međutim, uključuje potrošnju energije čak i kada su uređaji u stanju pripravnosti.

Mehanička neuronska mreža razvijena u ETH, s druge strane, može detektirati određeni događaj potpuno pasivno, s nulta potrošnja energije.

La odziv senzora pokreće ga snaga ulaznog podražaja: nakon što je događaj otkriven, odgovor koristi unos energije za napajanje električnog kruga: "Senzor radi isključivo mehanički i ne zahtijeva vanjski izvor napajanja“, objašnjava profesor Johan Robertsson, “jednostavno koristi vibracijsku energiju sadržanu u zvučnim valovima".

Kad god se izgovori određena riječ ili proizvede određeni ton ili šum, zvučni val emitirani uzrokuju vibriranje senzora. Ta je energija tada dovoljna za stvaranje a maleni električni impuls koji uključuje isključeni elektronički uređaj.

Prototip je razvijen u Dübendorfu u kantonu Zürich može razlikovati riječi recite "tri" i "četiri": Budući da riječ "četiri" ima više zvučne energije koja rezonira sa senzorom nego riječ "tri", ona vibrira senzor, dok "tri" ne.

To znači, objašnjavaju znanstvenici, da se riječju "četiri" može uključiti uređaj ili pokrenuti daljnji procesi, dok se riječju "tri" ne događa ništa.

Umjetna inteligencija i autonomna vožnja: moto sport se odvija u mraku
Voda, trava i čovječanstvo: kognitivne granice umjetne inteligencije

Serra-Garcia: solidan prototip do 2027

Novije varijante senzora, objašnjavaju istraživači, trebale bi moći razlikovati do dvanaest različitih riječi i bit će puno manji od patentiranog prototipa, koji je veličine dlana: kako objašnjavaju znanstvenici, cilj je minijaturizirati tehnologija.

Mogući slučajevi upotrebe za i revolucionarni senzori bez baterija uključiti praćenje potresa i zgrada: Mogu se koristiti za bilježenje energije valova ili za otkrivanje pojave pukotina u betonu.

Postoji interes i za praćenje napuštene naftne bušotine, objašnjavaju autori studije: plin koji izlazi iz bušotina proizvodi karakteristično šištanje, a senzor ove vrste mogao bi ga otkriti bez stalnog trošenja električne energije.

Serra-​Garcia također vidi primjenu u madežima medicinski uređaji, kao što su kohlearni implantati, koji zahtijevaju stalno napajanje za obradu signala putem vrlo malih baterija koje je potrebno mijenjati svakih 12 sati.

"I u industriji postoji veliko zanimanje za senzore nulte energije”, dodaje Serra-Garcia, koja sada radi u AMOLF-u u Nizozemskoj.

Cilj njegovog tima je da lansirati solidan prototip do 2027: "Ako do tada ne uspijemo privući nečiji interes”, zaključuje istraživač, “mogli bismo osnovati vlastiti start-up".

2024. u znaku sedamdeset godina CERN-a i inovacija
WSense, ovako Internet of Things doseže morske dubine