Revoluční senzory, které mohou ušetřit miliony baterií

I senzory lékařské přístroje a přístroje používané pro monitorování infrastruktury vyžadují stálou energii, kterou obvykle dodávají flotily baterií určených k vybití a výměně: podle nedávné studie Evropské unie do roku 2025 transformujeme přibližně 78 milionů akumulátorů denně.

Vzhledem k rostoucí poptávce po zařízeních Vždy-na, částečně kvůli masivnímu používání aplikací hlubokého učení a AI pro řízení a monitorování, je nalezení alternativního řešení k bateriově napájeným senzorům stále naléhavějším problémem.

Velmi slibný experiment v tomto smyslu pochází od skupiny výzkumníků z Polytechnika v Curychu řizen Marc Serra-Garcia a profesor geofyziky ETH Johan Robertsson: tým vyvinul a zcela pasivní mechanický senzor, schopné provádět úkoly hlubokého učení bez spotřeby energie.

Robotika, „barevný“ senzor, který napodobuje citlivost pokožky
Takto mají systémy založené na umělé inteligenci skryté morální hodnoty…

Vždy zapnuté senzory bez baterií: studie

Výzkumná skupina z ETH Zurich právě zveřejnila "Pokročilé funkční materiály" studie popisující fungování a úplně nový senzor které by mohly způsobit revoluci ve světě integrovaných bateriově napájených zařízení, jako jsou lékařské implantáty a chytrá zařízení napájená umělou inteligencí.

I monitorovací systémy instalované na budovách a infrastrukturách, lékařských přístrojích a podvodní IoT, které měří teplotu a CO2 ve vodách oceánu vyžadovat konstantní energie aby mohl fungovat. V současné době je tato energie většinou zajišťována baterie které podle nedávné studie EU trvají v průměru dva roky (nebo méně).

Podle šetření výzkumného projektu POVOLÍ, to bude trvat v příštích letech výroba stovek milionů baterií každý rok: pokud nepracujete na prodloužení životnost bateriečteme ve studii, „do roku 2025 vyhodíme každý den kolem 78 milionů “, s ohledem pouze na ty, kteří se živí IoT zařízení.

Prodlužte životnost baterie je to jistě řešení, ale jsou i tací, kteří ambiciózní projekt sledují zcela eliminovat použití baterií pro vždy zapnutá inteligentní zařízení: to je případ týmu výzkumníků ETH pod vedením Marc Serra-Garcia e Johan Robertsson, která nedávno vyvinula (a patentovala) první pasivní fononický senzor schopný provádět úlohy strojového učení.

"Chytré" kontaktní čočky pro objevování nového světa
Svatý grál zelené chemie: fluorochemikálie bez toxicity

Fononový senzor, mechanická neuronová síť

Il fononický senzor vyvinutý výzkumníky ETH je komplexní mechanická kalkulačka schopná aktivovat a rozpoznávat zvuky analogovým a zcela pasivním způsobem díky své zvláštní struktuře. Proto vysvětluje Serra-​Garcia, “sestává výhradně z křemík a neobsahuje toxické těžké kovy ani vzácné zeminy, jako to dělají běžné elektronické senzory".

toto mechanická neuronová síť, jak je popsáno v článku, je tvořeno desítkami mikrostrukturované desky identické nebo podobné, navzájem spojené drobnými spojovacími tyčemi, které fungují jako měkký a jsou spojeni s bohy akční členy piezoelektrický.

K vývoji komplexního designu mikrodestiček (hovoříme o 380 µm křemíkové destičce) výzkumníci použili počítačové modely a algoritmy, které definovaly vyvážení a geometrie mikrostruktur meta-materiálu. Výsledkem je a analogový počítač schopný plnit úkoly automatické učení a dosáhnout více než 90procentní přesnosti z hlediska binární klasifikace.

Spouštěcí událostí, která přemění podnět na elektrický signál, je zvuk. Nebo spíše jsou jediná slova vyslovený lidskou bytostí: fononický senzor vyvinutý v laboratořích Švýcarský inovační park Curych of Dübendorf se neomezuje na filtrování zvuků, ale soustředí se napasivní zpracování složitých událostí.

Neuronová síť složená z 81 prvků, uvádí patentová přihláška, je schopna rozlišit jednotlivá aktivační slova (například „tři“ a „čtyři“).

Udržitelnost těžebního průmyslu: stále naléhavější výzva
Cirkulární ekonomika a elektromobily: budoucnost je mnohem blíž

Senzor s nulovým výkonem, který dokáže rozlišit slova

I chytrá zařízení jako krokoměry a kardiostimulátory mají za úkol detekovat a spouštěcí událost přeměna podnětu na elektrický signál. Aktivita detekce však zahrnuje spotřebu energie, i když jsou zařízení v pohotovostním režimu.

Mechanická neuronová síť vyvinutá na ETH naopak dokáže detekovat konkrétní událost zcela pasivně, s a nulová spotřeba energie.

La odezva senzoru je spuštěna silou vstupního podnětu: jakmile je událost detekována, odezva využívá přísun energie k napájení elektrického obvodu: „Snímač pracuje čistě mechanicky a nevyžaduje externí zdroj energie“ vysvětluje profesor Johan Robertsson, „jednoduše využívá vibrační energii obsaženou ve zvukových vlnách".

Kdykoli je vyslovováno určité slovo nebo je generován určitý tón nebo šum, zvukové vlny emitované způsobí, že snímač bude vibrovat. Tato energie je pak dostatečná k vytvoření a malý elektrický impuls který zapíná vypnuté elektronické zařízení.

Prototyp vyvinutý v Dübendorfu v kantonu Curych umí rozlišovat mezi slovy řekněte „tři“ a „čtyři“: Protože slovo „čtyři“ má více zvukové energie, která rezonuje se senzorem než slovo „tři“, rozvibruje senzor, zatímco slovo „tři“ nikoli.

To znamená, vysvětlují vědci, že slovo „čtyři“ lze použít k zapnutí zařízení nebo spuštění dalších procesů, zatímco při vyslovení „tři“ se nic nestane.

Umělá inteligence a autonomní řízení: motoristický sport běží ve tmě
Voda, tráva a lidstvo: kognitivní limity umělé inteligence

Serra-Garcia: solidní prototyp do roku 2027

Novější varianty senzoru by podle vědců měly být schopny rozlišit až dvanáct různých slov a budou mnohem menší než patentovaný prototyp, který má velikost dlaně: jak vědci vysvětlují, cílem je miniaturizovat technika.

Možné případy použití pro i revoluční bezbateriové senzory zahrnout zemětřesení a monitorování budov: Mohly by být použity k záznamu energie vln nebo k detekci praskliny v betonu.

Zájem je také o sledování opuštěné ropné vrty, vysvětlují autoři studie: plyn unikající z vrtů vytváří charakteristické syčení a senzor tohoto typu by jej mohl detekovat, aniž by neustále spotřebovával elektřinu.

Serra-Garcia také vidí uplatnění v krtcích lékařské přístroje, jako jsou kochleární implantáty, které vyžadují trvalé napájení pro zpracování signálu prostřednictvím velmi malých baterií, které je třeba každých 12 hodin vyměnit.

"O senzory s nulovou spotřebou energie je velký zájem i v průmyslu“ dodává Serra-Garcia, která nyní pracuje ve společnosti AMOLF v Nizozemsku.

Cílem jeho týmu je spustit pevný prototyp do roku 2027: "Pokud se nám do té doby nepodařilo upoutat něčí zájem“, uzavírá výzkumník, „Mohli jsme si založit vlastní start-up".

Rok 2024 ve znamení sedmdesáti let CERNu a inovací
WSense, takto se internet věcí dostává do mořských hlubin