Els sensors revolucionaris que poden estalviar milions de bateries

I sensors dels dispositius mèdics i els que s'utilitzen per a la vigilància d'infraestructures requereixen una energia constant, que generalment s'abasteix de flotes de bateries destinades a esgotar-se i ser substituïdes: segons un recent estudi de la Unió Europea, l'any 2025 ens transformarem aproximadament. 78 milions d'acumuladors al dia.

Tenint en compte la creixent demanda de dispositius sempre activa, a causa en part de l'ús massiu d'aplicacions d'aprenentatge profund i d'IA per al control i la supervisió, trobar una solució alternativa als sensors alimentats per bateries és un problema cada cop més urgent.

Un experiment molt prometedor en aquest sentit prové d'un grup d'investigadors de Politècnica de Zuric conduit per Marc Serra-Garcia i el professor de geofísica de l'ETH Johan Robertsson: l'equip va desenvolupar a sensor mecànic completament passiu, capaç de realitzar tasques d'aprenentatge profund sense consumir energia.

Robòtica, el sensor de “color” que imita la sensibilitat de la pell
Així és com els sistemes basats en IA han amagat valors morals...

Sensors sempre encesos sense piles: l'estudi

Un grup de recerca de l'ETH Zurich acaba de publicar "Materials funcionals avançats" un estudi que descriu el funcionament d'a sensor nou a estrenar que podria revolucionar el món dels dispositius integrats que funcionen amb bateries, com ara els implants mèdics i els dispositius intel·ligents impulsats per IA.

I sistemes de monitorització instal·lats en edificis i infraestructures, dispositius mèdics i els IoT submarins que mesuren la temperatura i el CO2 a les aigües oceàniques requereixen energia constant per tal de funcionar. De moment, aquesta energia la proporciona majoritàriament bateria que, segons un estudi recent de la UE, duren de mitjana dos anys (o menys).

Segons la investigació del projecte de recerca HABILITA, això trigarà en els propers anys la producció de centenars de milions de bateries cada any: si no treballes per allargar el vida útil de la bateria, llegim a l'estudi, "el 2025 llençarem uns 78 milions cada dia ”, tenint en compte només els que alimenten Dispositius IoT.

Amplieu la durada de la bateria sens dubte és una solució, però també hi ha qui persegueix l'ambiciós projecte de eliminar completament l'ús de bateries per a dispositius intel·ligents sempre en funcionament: aquest és el cas de l'equip d'investigadors de l'ETH liderat per Marc Serra-Garcia e Johan Robertsson, que recentment ha desenvolupat (i patentat) el primer sensor fonònic passiu capaç de realitzar tasques d'aprenentatge automàtic.

Lents de contacte "intel·ligents" per explorar un món nou
El Sant Grial de la química verda: fluoroquímics lliures de toxicitat

El sensor de fonons, una xarxa neuronal mecànica

Il sensor fonònic desenvolupada pels investigadors de l'ETH és una calculadora mecànica complexa capaç d'activar i reconèixer sons de manera analògica i completament passiva gràcies a la seva particular estructura. Per això, explica Serra-Garcia, “consta exclusivament de silici i no conté metalls pesants tòxics ni terres rares, com fan els sensors electrònics convencionals".

aquest xarxa neuronal mecànica, tal com es descriu al document, està format per desenes de plaques microestructurades idèntics o semblants, connectats entre si per petites barres de connexió que funcionen com suau i estan connectats amb els déus actuadors piezoelèctric.

Per desenvolupar el disseny complex de les micro-plaques (estem parlant d'una hòstia de silici de 380 µm), els investigadors van utilitzar models informàtics i algorismes que definien els equilibris i geometries de les microestructures del metamaterial. El resultat és a ordinador analògic capaç de dur a terme tasques aprenentatge automàtic i aconseguir una precisió superior al 90 per cent en termes de classificació binària.

L'esdeveniment desencadenant, el que converteix l'estímul en un senyal elèctric, és el so. O millor dit, són els paraules soltes pronunciada per un ésser humà: el sensor fonònic desenvolupat als laboratoris de Suïssa Innovation Park Zuric de Dübendorf no es limita a filtrar sons, sinó que es concentraprocessament passiu d'esdeveniments complexos.

Una xarxa neuronal composta per 81 elements, segons la sol·licitud de patent, és capaç de distingir entre paraules d'activació individuals (per exemple, "tres" i "quatre").

Sostenibilitat de la indústria minera: un repte cada cop més urgent
Economia circular i cotxes elèctrics: el futur és molt més a prop

El sensor de potència zero que pot distingir paraules

I dispositius intel·ligents com els podòmetres i els marcapassos tenen la tasca de detectar a esdeveniment desencadenant convertir l'estímul en un senyal elèctric. L'activitat de detecció, però, implica un consum d'energia fins i tot quan els dispositius estan en espera.

La xarxa neuronal mecànica desenvolupada a l'ETH, en canvi, pot detectar un esdeveniment concret de forma totalment passiva, amb un consum d'energia zero.

La resposta del sensor es desencadena per la potència de l'estímul d'entrada: un cop detectat l'esdeveniment, la resposta utilitza l'entrada d'energia alimentar un circuit elèctric: "El sensor funciona de manera purament mecànica i no requereix una font d'alimentació externa", explica el professor Johan Robertsson, "simplement utilitza l'energia vibratòria continguda en les ones sonores".

Sempre que es pronuncia una paraula determinada o es genera un to o soroll determinat, el on sonore emesos fan que el sensor vibri. Aleshores aquesta energia és suficient per generar a petit impuls elèctric que encén un dispositiu electrònic apagat.

El prototip desenvolupat a Dübendorf, al cantó de Zuric pot distingir entre paraules digues "tres" i "quatre": com que la paraula "quatre" té més energia sonora que ressona amb el sensor que la paraula "tres", fa vibrar el sensor, mentre que "tres" no.

Això vol dir, expliquen els científics, que la paraula "quatre" es pot utilitzar per encendre un dispositiu o desencadenar processos posteriors, mentre que dient "tres" no passa res.

Intel·ligència artificial i conducció autònoma: l'automobilisme corre a les fosques
Aigua, herba i humanitat: els límits cognitius de la Intel·ligència Artificial

Serra-Garcia: un prototip sòlid per al 2027

Les variants més noves del sensor, expliquen els investigadors, haurien de poder distingir fins a dotze paraules diferents i seran molt més petites que el prototip patentat, que té la mida d'un palmell: tal com expliquen els estudiosos, l'objectiu és miniaturitzar tecnologia.

Els casos d'ús potencials per a i sensors revolucionaris sense bateries incloure el vigilància de terratrèmols i edificis: Es podrien utilitzar per registrar l'energia de les ones o per detectar quan es desenvolupa una esquerda al formigó.

També hi ha interès pel que fa al seguiment de pous de petroli abandonats, expliquen els autors de l'estudi: el gas que s'escapa dels pous produeix un xiulet característic, i un sensor d'aquest tipus podria detectar-lo sense consumir electricitat constantment.

Serra-Garcia també veu aplicacions en els talps Aparells mèdics, com els implants coclears, que requereixen una font d'alimentació permanent per al processament del senyal mitjançant piles molt petites que s'han de substituir cada 12 hores.

"També hi ha un gran interès en els sensors d'energia zero a la indústria”, afegeix Serra-Garcia, que ara treballa a AMOLF als Països Baixos.

L'objectiu del seu equip és llançar un prototip sòlid el 2027: "Si aleshores no hem aconseguit captar l'interès de ningú”, conclou l'investigador, “Podríem fundar la nostra pròpia empresa".

Un 2024 marcat per setanta anys de CERN i innovació
WSense, així és com l'Internet de les coses arriba a les profunditats del mar