Οι επαναστατικοί αισθητήρες που μπορούν να εξοικονομήσουν εκατομμύρια μπαταρίες

I αισθητήρες των ιατροτεχνολογικών προϊόντων και αυτών που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της υποδομής απαιτούν σταθερή ενέργεια, η οποία παρέχεται γενικά από στόλους μπαταριών που προορίζονται να εξαντληθούν και να αντικατασταθούν: σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη της Ευρωπαϊκής Ένωσης, έως το 2025 θα μετασχηματίσουμε περίπου 78 εκατομμύρια συσσωρευτές την ημέρα.

Λαμβάνοντας υπόψη την αυξανόμενη ζήτηση για συσκευές always-on, εν μέρει λόγω της μαζικής χρήσης εφαρμογών βαθιάς μάθησης και τεχνητής νοημοσύνης για έλεγχο και παρακολούθηση, η εύρεση εναλλακτικής λύσης για τους αισθητήρες που λειτουργούν με μπαταρία είναι ένα όλο και πιο επείγον ζήτημα.

Ένα πολλά υποσχόμενο πείραμα με αυτή την έννοια προέρχεται από μια ομάδα ερευνητών από Πολυτεχνείο Ζυρίχης οδηγείται από Μαρκ Σέρα-Γκαρσία και ο καθηγητής γεωφυσικής του ΕΘ Γιόχαν Ρόμπερτσον: η ομάδα ανέπτυξε α εντελώς παθητικός μηχανικός αισθητήρας, ικανός να εκτελεί εργασίες βαθιάς μάθησης χωρίς να καταναλώνει ενέργεια.

Ρομποτική, ο αισθητήρας «χρωματισμού» που μιμείται την ευαισθησία του δέρματος
Έτσι τα συστήματα που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη έχουν κρυμμένες ηθικές αξίες…

Πάντα ενεργοποιημένοι αισθητήρες χωρίς μπαταρίες: η μελέτη

Μια ερευνητική ομάδα από το ETH Ζυρίχης μόλις δημοσίευσε στις "Προηγμένα λειτουργικά υλικά" μια μελέτη που περιγράφει τη λειτουργία του α ολοκαίνουργιος αισθητήρας που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον κόσμο των ενσωματωμένων συσκευών που τροφοδοτούνται με μπαταρίες, όπως ιατρικά εμφυτεύματα και έξυπνες συσκευές με τεχνητή νοημοσύνη.

I συστήματα παρακολούθησης εγκατεστημένα σε κτίρια και υποδομές, ιατρικές συσκευές και υποβρύχια IoT που μετρούν τη θερμοκρασία και το CO2 στα νερά των ωκεανών απαιτώ σταθερή ενέργεια προκειμένου να λειτουργήσει. Αυτή τη στιγμή, αυτή η ενέργεια παρέχεται κυρίως από μπαταρία οι οποίες, σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη της ΕΕ, διαρκούν κατά μέσο όρο δύο χρόνια (ή λιγότερο).

Σύμφωνα με τη διερεύνηση του ερευνητικού έργου Δίνει τη δυνατότητα, αυτό θα διαρκέσει τα επόμενα χρόνια την παραγωγή εκατοντάδων εκατομμυρίων μπαταριών κάθε χρόνο: αν δεν εργάζεστε για να επιμηκύνετε το διάρκεια ζωής της μπαταρίας, διαβάζουμε στη μελέτη, "μέχρι το 2025 θα πετάμε περίπου 78 εκατομμύρια κάθε μέρα », λαμβάνοντας υπόψη μόνο αυτά που τρέφονται Συσκευές IoT.

Επεκτείνετε τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι σίγουρα μια λύση, αλλά υπάρχουν και εκείνοι που επιδιώκουν το φιλόδοξο εγχείρημα του εξαλείψτε εντελώς τη χρήση μπαταριών για έξυπνες συσκευές πάντα ενεργοποιημένες: αυτή είναι η περίπτωση της ομάδας ερευνητών ETH με επικεφαλής Μαρκ Σέρα-Γκαρσία e Γιόχαν Ρόμπερτσον, η οποία πρόσφατα ανέπτυξε (και κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας) τον πρώτο παθητικό φωνητικό αισθητήρα ικανό να εκτελεί εργασίες μηχανικής μάθησης.

«Έξυπνοι» φακοί επαφής για να εξερευνήσετε έναν νέο κόσμο
Το Άγιο Δισκοπότηρο της πράσινης χημείας: φθοριοχημικές ουσίες χωρίς τοξικότητα

Ο αισθητήρας φωνονίων, ένα μηχανικό νευρωνικό δίκτυο

Il φωνητικός αισθητήρας που αναπτύχθηκε από ερευνητές ETH είναι ένας πολύπλοκος μηχανικός υπολογιστής ικανός να ενεργοποιεί και αναγνωρίζουν ήχους με αναλογικό και εντελώς παθητικό τρόπο χάρη στην ιδιαίτερη δομή του. Επομένως, εξηγεί η Serra-​Garcia, «αποτελείται αποκλειστικά από πυριτίου και δεν περιέχει ούτε τοξικά βαρέα μέταλλα ούτε σπάνιες γαίες, όπως κάνουν οι συμβατικοί ηλεκτρονικοί αισθητήρες".

αυτό μηχανικό νευρωνικό δίκτυο, όπως περιγράφεται στην εργασία, αποτελείται από δεκάδες μικροδομημένες πλάκες πανομοιότυπα ή παρόμοια, συνδεδεμένα μεταξύ τους με μικροσκοπικές ράβδους σύνδεσης που λειτουργούν ως μαλακός και συνδέονται με θεούς ενεργοποιητές πιεζοηλεκτρικό.

Για να αναπτύξουν τον περίπλοκο σχεδιασμό των μικροπλακών (μιλάμε για μια γκοφρέτα πυριτίου 380 μm), οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μοντέλα υπολογιστών και αλγόριθμους που καθόρισαν τις ισορροπίες και τις γεωμετρίες των μικροδομών του μετα-υλικού. Το αποτέλεσμα είναι α αναλογικός υπολογιστής ικανός να εκτελεί καθήκοντα αυτόματη μάθηση και επιτυγχάνουν μεγαλύτερη από 90 τοις εκατό ακρίβεια όσον αφορά τη δυαδική ταξινόμηση.

Το συμβάν ενεργοποίησης, αυτό που μετατρέπει το ερέθισμα σε ηλεκτρικό σήμα, είναι το ήχος. Ή μάλλον, είναι οι μεμονωμένες λέξεις προφέρεται από έναν άνθρωπο: ο φωνικός αισθητήρας που αναπτύχθηκε στα εργαστήρια του Switzerland Innovation Park Zurich του Dübendorf δεν περιορίζεται στο φιλτράρισμα των ήχων, αλλά επικεντρώνεται σεπαθητική επεξεργασία σύνθετων γεγονότων.

Ένα νευρωνικό δίκτυο που αποτελείται από 81 στοιχεία, αναφέρει η αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας, είναι ικανό να διακρίνει μεμονωμένες λέξεις ενεργοποίησης (για παράδειγμα, «τρία» και «τέσσερα»).

Βιωσιμότητα της εξορυκτικής βιομηχανίας: μια ολοένα και πιο επείγουσα πρόκληση
Κυκλική οικονομία και ηλεκτρικά αυτοκίνητα: το μέλλον είναι πολύ πιο κοντά

Ο αισθητήρας μηδενικής ισχύος που μπορεί να διακρίνει λέξεις

I έξυπνες συσκευές όπως τα βηματόμετρα και οι βηματοδότες έχουν το καθήκον να ανιχνεύουν α πυροδότηση συμβάντος μετατρέποντας το ερέθισμα σε ηλεκτρικό σήμα. Η δραστηριότητα ανίχνευσης, ωστόσο, περιλαμβάνει κατανάλωση ενέργειας ακόμη και όταν οι συσκευές είναι σε αναμονή.

Το μηχανικό νευρωνικό δίκτυο που αναπτύχθηκε στο ETH, από την άλλη πλευρά, μπορεί να ανιχνεύσει ένα συγκεκριμένο γεγονός εντελώς παθητικά, με μηδενική κατανάλωση ενέργειας.

La απόκριση αισθητήρα ενεργοποιείται από τη δύναμη του ερεθίσματος εισόδου: μόλις ανιχνευτεί το συμβάν, η απόκριση χρησιμοποιεί εισροή ενέργειας για να τροφοδοτήσετε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα:Ο αισθητήρας λειτουργεί καθαρά μηχανικά και δεν απαιτεί εξωτερική πηγή ρεύματος», εξηγεί ο καθηγητής Johan Robertsson, «χρησιμοποιεί απλώς τη δονητική ενέργεια που περιέχεται στα ηχητικά κύματα".

Κάθε φορά που προφέρεται μια συγκεκριμένη λέξη ή δημιουργείται ένας συγκεκριμένος τόνος ή θόρυβος, το ηχητικό κύμα που εκπέμπονται προκαλούν δόνηση του αισθητήρα. Αυτή η ενέργεια είναι τότε αρκετή για να δημιουργήσει α μικροσκοπική ηλεκτρική ώθηση που ενεργοποιεί μια απενεργοποιημένη ηλεκτρονική συσκευή.

Το πρωτότυπο αναπτύχθηκε στο Dübendorf στο καντόνι της Ζυρίχης μπορεί να διακρίνει τις λέξεις πείτε "τρία" και "τέσσερα": Επειδή η λέξη "τέσσερα" έχει περισσότερη ηχητική ενέργεια που αντηχεί στον αισθητήρα από τη λέξη "τρία", δονεί τον αισθητήρα, ενώ το "τρία" όχι.

Αυτό σημαίνει, εξηγούν οι επιστήμονες, ότι η λέξη «τέσσερα» μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ενεργοποιήσει μια συσκευή ή να ενεργοποιήσει περαιτέρω διαδικασίες, ενώ λέγοντας «τρία» δεν συμβαίνει τίποτα.

Τεχνητή νοημοσύνη και αυτόνομη οδήγηση: ο μηχανοκίνητος αθλητισμός τρέχει στο σκοτάδι
Νερό, γρασίδι και ανθρωπιά: τα γνωστικά όρια της Τεχνητής Νοημοσύνης

Serra-Garcia: ένα συμπαγές πρωτότυπο μέχρι το 2027

Οι νεότερες παραλλαγές του αισθητήρα, εξηγούν οι ερευνητές, θα πρέπει να είναι σε θέση να διακρίνουν έως και δώδεκα διαφορετικές λέξεις και θα είναι πολύ μικρότερα από το πατενταρισμένο πρωτότυπο, το οποίο έχει το μέγεθος μιας παλάμης: όπως εξηγούν οι μελετητές, ο στόχος είναι να μινιατούρα τεχνολογία.

Οι πιθανές περιπτώσεις χρήσης για i επαναστατικοί αισθητήρες χωρίς μπαταρία συμπεριλάβετε το παρακολούθηση σεισμών και κτιρίων: Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την καταγραφή της ενέργειας των κυμάτων ή για την ανίχνευση πότε δημιουργείται ρωγμή στο σκυρόδεμα.

Ενδιαφέρον υπάρχει και για την παρακολούθηση των εγκαταλελειμμένες πετρελαιοπηγές, εξηγούν οι συγγραφείς της μελέτης: το αέριο που διαφεύγει από τα πηγάδια παράγει ένα χαρακτηριστικό σφύριγμα και ένας αισθητήρας αυτού του τύπου θα μπορούσε να το εντοπίσει χωρίς να καταναλώνει συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια.

Η Serra-​Garcia βλέπει επίσης εφαρμογές σε κρεατοελιές ιατρικές συσκευές, όπως τα κοχλιακά εμφυτεύματα, τα οποία απαιτούν μόνιμη τροφοδοσία για την επεξεργασία του σήματος μέσω πολύ μικρών μπαταριών που πρέπει να αντικαθίστανται κάθε 12 ώρες.

"Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τους αισθητήρες μηδενικής ενέργειας και στη βιομηχανία», προσθέτει η Serra-Garcia, η οποία τώρα εργάζεται στην AMOLF στην Ολλανδία.

Στόχος της ομάδας του είναι να λανσάρει ένα συμπαγές πρωτότυπο μέχρι το 2027: "Αν μέχρι τότε δεν έχουμε καταφέρει να τραβήξουμε το ενδιαφέρον κανενός», καταλήγει ο ερευνητής, «Θα μπορούσαμε να βρούμε τη δική μας start-up".

Ένα 2024 που σηματοδοτείται από εβδομήντα χρόνια CERN και καινοτομίας
WSense, έτσι το Διαδίκτυο των Πραγμάτων φτάνει στα βάθη της θάλασσας