Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойТехнологииНовые революционные датчики со звуковым питанием могут сэкономить миллионы батарей

Новые революционные датчики со звуковым питанием могут сэкономить миллионы батарей

- Advertisement -

Новый механический датчик, разработанный командой под руководством Марка Серра-Гарсиа и Йохана Робертссона, использует звуковые вибрации для собственного питания, устраняя необходимость в батареях. Этот универсальный и экологически чистый датчик, изготовленный из силикона, может распознавать определенные звуки для применения в инфраструктуре, медицинских устройствах и промышленности. Выше представлен прототип звукового датчика. Фото: Астрид Робертссон / ETH Zurich

Датчики, используемые для мониторинга инфраструктуры, такой как мосты и здания, или в медицинских устройствах, таких как протезы для людей с нарушениями слуха, нуждаются в постоянном источнике питания. Обычно эта энергия обеспечивается батареями, которые выбрасываются и заменяются по мере разрядки, что приводит к огромной проблеме отходов.

Исследование ЕС прогнозирует, что в 2025 году 78 миллионов батарей окажутся в мусоре каждый день.

Новый тип механического датчика, разработанный исследователями под руководством Марка Серра-Гарсиа и профессора геофизики ETH Йохана Робертссона, теперь может стать средством решения этой проблемы. Его создатели уже подали заявку на патент на свое изобретение и теперь представили принцип в журнале. Передовые функциональные материалы.

Определенные звуковые волны вызывают вибрацию датчика.

«Датчик работает чисто механически и не требует внешнего источника энергии. Он просто использует вибрационную энергию, содержащуюся в звуковых волнах», — говорит Робертссон.

Всякий раз, когда произносится определенное слово или генерируется определенный тон или шум, излучаемые звуковые волны – и только они – вызывают вибрацию датчика. Этой энергии достаточно для генерации крошечного электрического импульса, который включает выключенное электронное устройство.

Прототип, который исследователи разработали в лаборатории Робертссона в Швейцарском инновационном парке Цюриха в Дюбендорфе, уже запатентован. Он может различать произносимые слова «три» и «четыре». Поскольку слово «четыре» содержит больше звуковой энергии, которая резонирует с датчиком, по сравнению со словом «три», оно вызывает вибрацию датчика, тогда как слово «три» — нет. Это означает, что слово «четыре» может включить устройство или запустить дальнейшие процессы. С «тройкой» ничего не произойдет.

Новые варианты датчика должны уметь различать до двенадцати различных слов, таких как стандартные машинные команды, такие как «вкл», «выкл», «вверх» и «вниз». По сравнению с прототипом размером с ладонь, новые версии также намного меньше – размером с ноготь – и исследователи стремятся еще больше их миниатюризировать.

Метаматериал без проблемных веществ

Датчик — это так называемый метаматериал: не используемый материал придает датчику особые свойства, а структура. «Наш датчик состоит исключительно из силикона и не содержит ни токсичных тяжелых металлов, ни редкоземельных элементов, как это делают обычные электронные датчики», — говорит Серра-Гарсия.

Датчик состоит из десятков одинаковых или одинаково структурированных пластин, соединенных друг с другом крошечными стержнями. Эти соединительные стержни действуют как пружины. Исследователи использовали компьютерное моделирование и алгоритмы, чтобы разработать специальную конструкцию этих микроструктурированных пластин и придумать, как прикрепить их друг к другу. Именно пружины определяют, приводит ли тот или иной источник звука в движение датчик.

Мониторинг инфраструктуры

Потенциальные варианты использования этих безбатарейных датчиков включают мониторинг землетрясений или зданий. Например, они могли бы регистрировать, когда в здании появляется трещина, имеющая нужную звуковую или волновую энергию.

Также существует интерес к безбатарейным датчикам для мониторинга выведенных из эксплуатации нефтяных скважин. Газ может выходить из утечек в скважинах, издавая характерный шипящий звук. Такой механический датчик мог бы обнаружить это шипение и включить сигнал тревоги, не потребляя постоянно электроэнергию, что делает его намного дешевле и требует гораздо меньшего обслуживания.

Датчик для медицинских имплантатов

Серра-Гарсия также видит применение в медицинских устройствах, таких как кохлеарные имплантаты. Эти протезы для глухих требуют постоянного источника питания для обработки сигналов от батареек. Блок питания у них расположен за ухом, где нет места для больших аккумуляторных блоков. Это означает, что владельцы таких устройств должны заменять батареи каждые двенадцать часов. Новые датчики также можно использовать для непрерывного измерения глазного давления. «В глазу недостаточно места для датчика с батареей», — говорит он.

«В промышленности также существует большой интерес к датчикам с нулевой энергией», — добавляет Серра-Гарсия. Он больше не работает в ETH, а работает в AMOLF, государственном исследовательском институте в Нидерландах, где он и его команда совершенствуют механические датчики. Их цель — запустить надежный прототип к 2027 году. «Если к тому времени нам не удастся привлечь чей-либо интерес, мы могли бы основать собственный стартап».

Ссылка: «Внутрисенсорная классификация пассивной речи с фононическими метаматериалами» Тены Дубчек, Даниэля Морено-Гарсиа, Томаса Хаага, Паризы Омидвар, Хенрика Р. Томсена, Теодора С. Беккера, Ларса Гебраада, Кристофа Барлохера, Фредрика Андерссона, Себастьяна Д. Хубер, Дирк-Ян ван Манен, Луис Гильермо Вильянуэва, Йохан О.А. Робертссон и Марк Серра-Гарсия, 9 января 2024 г., Передовые функциональные материалы.
DOI: 10.1002/adfm.202311877.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме