Революційні датчики, які можуть заощадити мільйони батарейок

I датчиків медичних пристроїв і тих, що використовуються для моніторингу інфраструктури, потрібна постійна енергія, яка, як правило, постачається парком батарей, яким судилося розрядитися та замінити: згідно з нещодавнім дослідженням Європейського Союзу, до 2025 року ми трансформуємо приблизно 78 мільйонів акумуляторів на добу.

Враховуючи зростаючий попит на пристрої завжди на, частково через масове використання глибокого навчання та додатків штучного інтелекту для контролю та моніторингу, пошук альтернативного рішення датчикам, що живляться від батарейок, стає дедалі актуальнішою проблемою.

Дуже багатообіцяючий експеримент у цьому сенсі походить від групи дослідників з Цюріхська політехніка керований Марк Серра-​Гарсія і професор геофізики ETH Йохан Робертссон: команда розробила a повністю пасивний механічний датчик, здатний виконувати завдання глибокого навчання без споживання енергії.

Робототехніка, «кольоровий» датчик, що імітує чутливість шкіри
Ось як системи на основі ШІ приховують моральні цінності…

Завжди ввімкнені датчики без батарей: дослідження

Дослідницька група з ETH Zurich щойно опублікувала «Удосконалені функціональні матеріали» дослідження, що описує функціонування a абсолютно новий датчик які можуть революціонізувати світ інтегрованих пристроїв з живленням від батарей, таких як медичні імплантати та інтелектуальні пристрої з живленням штучного інтелекту.

I системи моніторингу встановлені на будівлях та інфраструктурі, медичні прилади та підводні IoT, які вимірюють температуру та CO2 в океанських водах вимагати постійна енергія щоб функціонувати. На даний момент ця енергія в основному забезпечується акумулятор які, згідно з нещодавнім дослідженням ЄС, тривають у середньому два роки (чи менше).

За результатами дослідження дослідницького проекту ДОЗВОЛЯЄ, це займе в наступні роки виробництво сотень мільйонів акумуляторів щороку: якщо ви не працюєте над подовженням термін служби батареї, ми читаємо в дослідженні, «до 2025 року ми будемо викидати близько 78 мільйонів щодня », розглядаючи лише ті, що годують пристрої IoT.

Подовження терміну служби акумулятора це, звичайно, рішення, але є й ті, хто займається амбітним проектом повністю виключити використання батарейок для постійно ввімкнених інтелектуальних пристроїв: це справа команди дослідників ETH під керівництвом Марк Серра-​Гарсія e Йохан Робертссон, яка нещодавно розробила (і запатентувала) перший пасивний фононний датчик, здатний виконувати завдання машинного навчання.

«Розумні» контактні лінзи для дослідження нового світу
Святий Грааль зеленої хімії: нетоксичні фторхімічні речовини

Фононний датчик, механічна нейронна мережа

Il фононний датчик розроблений дослідниками ETH, це складний механічний калькулятор, здатний активувати та розпізнавати звуки аналогічно і повністю пасивно завдяки своїй особливій структурі. Тому, пояснює Серра-​Гарсія, «складається виключно з кремній і не містить ані токсичних важких металів, ані рідкоземельних елементів, як у звичайних електронних датчиках".

це механічна нейронна мережа, як описано в статті, він складається з десятків мікроструктуровані пластини однакові або подібні, з’єднані між собою крихітними з’єднувальними планками, які функціонують як м'який і пов'язані з богами приводи п'єзоелектричний.

Щоб розробити складну конструкцію мікропластин (мова йде про кремнієву пластину 380 мкм), дослідники використовували комп’ютерні моделі та алгоритми, які визначали баланси та геометрію мікроструктур метаматеріалу. Результатом є a аналоговий комп'ютер здатний виконувати завдання автоматичне навчання і досягти понад 90 відсотків точності з точки зору двійкової класифікації.

Тригерна подія, яка перетворює стимул в електричний сигнал, є подією звук. Вірніше, вони є окремі слова вимовлене людиною: фононічний сенсор, розроблений у лабораторіях ім Інноваційний парк Швейцарії, Цюріх Дюбендорфа не обмежується фільтрацією звуків, а концентрується напасивна обробка складних подій.

Нейронна мережа, що складається з 81 елемента, йдеться в заявці на патент, здатна розрізняти окремі слова активації (наприклад, «три» і «чотири»).

Стійкість гірничодобувної промисловості: дедалі актуальніша проблема
Циркулярна економіка та електромобілі: майбутнє набагато ближче

Датчик нульової потужності, який розрізняє слова

I розумні пристрої як крокоміри та кардіостимулятори мають завдання виявляти a запускаюча подія перетворення стимулу в електричний сигнал. Однак діяльність виявлення передбачає споживання енергії, навіть коли пристрої перебувають у режимі очікування.

Механічна нейронна мережа, розроблена в ETH, з іншого боку, може виявляти конкретну подію абсолютно пасивно, з нульове енергоспоживання.

La відповідь датчика він запускається потужністю вхідного стимулу: як тільки подія виявлена, відповідь використовує вхідну енергію для живлення електричного кола: "Датчик працює чисто механічно і не вимагає зовнішнього джерела живлення», - пояснює професор Йохан Робертссон,він просто використовує вібраційну енергію, що міститься у звукових хвилях".

Щоразу, коли вимовляється певне слово або генерується певний тон чи шум, звукова хвиля викликають вібрацію датчика. Тоді цієї енергії достатньо для створення a невеликий електричний імпульс що вмикає вимкнений електронний пристрій.

Прототип розроблено в Дюбендорфі в кантоні Цюріх може розрізняти слова скажіть «три» і «чотири»: оскільки слово «чотири» має більше звукової енергії, яка резонує з датчиком, ніж слово «три», воно вібрує датчик, а слово «три» – ні.

Це означає, пояснюють вчені, що слово «чотири» можна використовувати для ввімкнення пристрою або запуску подальших процесів, тоді як слово «три» нічого не відбувається.

Штучний інтелект і автономне водіння: автоспорт працює в темряві
Вода, трава і людство: когнітивні межі штучного інтелекту

Serra-Garcia: надійний прототип до 2027 року

Дослідники пояснюють, що нові варіанти датчика повинні розрізняти до дванадцяти різних слів і вони будуть набагато меншими, ніж запатентований прототип, розміром з долоню: як пояснюють вчені, метою є мініатюризувати технології.

Потенційні випадки використання i революційні датчики без батареї включити землетруси та моніторинг будівель: їх можна використовувати для реєстрації енергії хвилі або виявлення тріщини в бетоні.

Існує також інтерес щодо моніторингу покинуті нафтові свердловини, пояснюють автори дослідження: газ, що виривається зі свердловин, видає характерне шипіння, і датчик такого типу міг би це виявити, не споживаючи постійно електроенергії.

Серра-​Гарсія також бачить застосування в кротах медичні вироби, як-от кохлеарні імплантати, які вимагають постійного живлення для обробки сигналу через дуже маленькі батареї, які потрібно замінювати кожні 12 годин.

"У промисловості також є великий інтерес до датчиків з нульовим споживанням енергії”, – додає Серра-Гарсія, який зараз працює в AMOLF у Нідерландах.

Метою його команди є запустити надійний прототип до 2027 року: «Якщо до того часу нам не вдалося зацікавити когось», підсумовує дослідник, «Ми могли б заснувати власний стартап".

2024 рік відзначений сімдесятиріччям CERN та інновацій
WSense, ось як Інтернет речей досягає морських глибин