Revolučné senzory, ktoré dokážu ušetriť milióny batérií

I senzory zdravotníckych pomôcok a zariadení používaných na monitorovanie infraštruktúry vyžadujú stálu energiu, ktorú vo všeobecnosti dodávajú flotily batérií, ktoré sa vybijú a budú nahradené: podľa nedávnej štúdie Európskej únie do roku 2025 premeníme približne 78 miliónov akumulátorov denne.

Vzhľadom na rastúci dopyt po zariadeniach Vždy-na, čiastočne kvôli masívnemu využívaniu aplikácií hlbokého učenia a AI na ovládanie a monitorovanie, je hľadanie alternatívneho riešenia k senzorom napájaným z batérie čoraz naliehavejším problémom.

Veľmi sľubný experiment v tomto zmysle pochádza od skupiny výskumníkov z Polytechnika v Zürichu poháňaný Marc Serra-Garcia a profesor geofyziky ETH Johan Robertsson: tím vyvinul a úplne pasívny mechanický snímač, schopný vykonávať úlohy hlbokého učenia bez spotreby energie.

Robotika, „farebný“ senzor, ktorý napodobňuje citlivosť pokožky
Takto majú systémy založené na AI skryté morálne hodnoty...

Vždy zapnuté senzory bez batérií: štúdia

Výskumná skupina z ETH Zurich práve zverejnila "Pokročilé funkčné materiály" štúdia popisujúca fungovanie a uplne novy senzor čo by mohlo spôsobiť revolúciu vo svete integrovaných zariadení napájaných z batérií, ako sú napríklad lekárske implantáty a inteligentné zariadenia napájané AI.

I monitorovacie systémy inštalované na budovách a infraštruktúrach, zdravotníckych zariadeniach a podvodné IoT, ktoré merajú teplotu a CO2 vo vodách oceánov vyžadovať konštantná energia aby fungovali. V súčasnosti túto energiu väčšinou poskytujú batérie ktoré podľa nedávnej štúdie EÚ trvajú v priemere dva roky (alebo menej).

Podľa prieskumu výskumného projektu POVOLÍ, bude to trvať v nasledujúcich rokoch výrobu stoviek miliónov batérií každý rok: ak nepracujete na predĺžení životnosť batérie, čítame v štúdii, „do roku 2025 vyhodíme každý deň okolo 78 miliónov “, berúc do úvahy iba tie, ktoré sa živia IoT zariadenia.

Predĺžte výdrž batérie je to určite riešenie, ale sú aj takí, ktorí sa usilujú o ambiciózny projekt úplne eliminovať používanie batérií pre vždy zapnuté inteligentné zariadenia: to je prípad tímu výskumníkov ETH pod vedením Marc Serra-Garcia e Johan Robertsson, ktorá nedávno vyvinula (a patentovala) prvý pasívny fonónový senzor schopný vykonávať úlohy strojového učenia.

„Inteligentné“ kontaktné šošovky na objavovanie nového sveta
Svätý grál zelenej chémie: fluorochemikálie bez toxicity

Fonónový senzor, mechanická neurónová sieť

Il fonónový snímač vyvinutý výskumníkmi ETH je komplexná mechanická kalkulačka schopná aktivovať a rozpoznávať zvuky analógovým a úplne pasívnym spôsobom vďaka svojej špecifickej štruktúre. Preto vysvetľuje Serra-​Garcia, „pozostáva výlučne z kremík a neobsahuje toxické ťažké kovy ani vzácne zeminy, ako to robia bežné elektronické senzory".

Tento mechanická neurónová sieť, ako je opísané v článku, pozostáva z desiatok mikroštruktúrované platne rovnaké alebo podobné, navzájom spojené drobnými spojovacími tyčami, ktoré fungujú ako mäkký a sú spojené s bohmi aktuátory piezoelektrický.

Na vývoj komplexného dizajnu mikrodoštičiek (hovoríme o 380 µm kremíkovej doštičke) výskumníci použili počítačové modely a algoritmy, ktoré definovali rovnováhu a geometriu mikroštruktúr meta-materiálu. Výsledkom je a analógový počítač schopný vykonávať úlohy automatické učenie a dosiahnuť presnosť viac ako 90 percent z hľadiska binárnej klasifikácie.

Spúšťacia udalosť, ktorá premieňa stimul na elektrický signál, je znieť. Alebo skôr sú jediné slová vyslovený ľudskou bytosťou: fonónový senzor vyvinutý v laboratóriách o Švajčiarsky inovačný park Zurich z Dübendorfu sa neobmedzuje len na filtrovanie zvukov, ale sústreďuje sa napasívne spracovanie zložitých udalostí.

Neurónová sieť zložená z 81 prvkov, uvádza patentová prihláška, je schopná rozlišovať medzi jednotlivými aktivačnými slovami (napríklad „tri“ a „štyri“).

Udržateľnosť ťažobného priemyslu: čoraz naliehavejšia výzva
Cirkulárna ekonomika a elektrické autá: budúcnosť je oveľa bližšie

Senzor s nulovým výkonom, ktorý dokáže rozlíšiť slová

I inteligentné zariadenia ako krokomery a kardiostimulátory majú za úlohu zistiť a spúšťacia udalosť premena podnetu na elektrický signál. Detekčná aktivita však zahŕňa spotrebu energie, aj keď sú zariadenia v pohotovostnom režime.

Mechanická neurónová sieť vyvinutá na ETH naopak dokáže detekovať konkrétnu udalosť úplne pasívne, pričom a nulová spotreba energie.

La odozva snímača spúšťa sa silou vstupného stimulu: akonáhle je udalosť zistená, odpoveď využíva vstup energie na napájanie elektrického obvodu: „Senzor pracuje čisto mechanicky a nevyžaduje externý zdroj energie“ vysvetľuje profesor Johan Robertsson, „jednoducho využíva vibračnú energiu obsiahnutú vo zvukových vlnách".

Vždy, keď sa vysloví určité slovo alebo sa vygeneruje určitý tón alebo šum, zvuková vlna emitované spôsobujú vibrácie snímača. Táto energia potom postačuje na vytvorenie a malý elektrický impulz ktorý zapína vypnuté elektronické zariadenie.

Prototyp vyvinutý v Dübendorfe v kantóne Zürich vie rozlišovať medzi slovami povedzte „tri“ a „štyri“: Pretože slovo „štyri“ má väčšiu zvukovú energiu, ktorá rezonuje so snímačom ako slovo „tri“, rozvibruje snímač, zatiaľ čo slovo „tri“ nie.

Vedci vysvetľujú, že to znamená, že slovo „štyri“ možno použiť na zapnutie zariadenia alebo spustenie ďalších procesov, zatiaľ čo pri slove „tri“ sa nič nestane.

Umelá inteligencia a autonómne riadenie: motoršport jazdí v tme
Voda, tráva a ľudstvo: kognitívne limity umelej inteligencie

Serra-Garcia: solídny prototyp do roku 2027

Novšie varianty senzora, vysvetľujú výskumníci, by mali byť schopné rozlíšiť až dvanásť rôznych slov a budú oveľa menšie ako patentovaný prototyp, ktorý má veľkosť dlane: ako vedci vysvetľujú, cieľom je miniaturizovať technológie.

Možné prípady použitia pre i revolučné bezbatériové senzory zahrnúť zemetrasenie a monitorovanie budov: Mohli by sa použiť na zaznamenávanie energie vĺn alebo na zistenie, kedy sa v betóne vytvorí trhlina.

Záujem je aj o sledovanie opustené ropné vrty, vysvetľujú autori štúdie: plyn unikajúci z vrtov vytvára charakteristické syčanie a senzor tohto typu by ho dokázal zaznamenať bez neustáleho spotrebovania elektriny.

Serra-Garcia tiež vidí uplatnenie v krtkoch zdravotnícke prístroje, ako sú napríklad kochleárne implantáty, ktoré vyžadujú trvalé napájanie na spracovanie signálu prostredníctvom veľmi malých batérií, ktoré je potrebné vymieňať každých 12 hodín.

"O senzory s nulovou spotrebou energie je veľký záujem aj v priemysle“ dodáva Serra-Garcia, ktorá teraz pracuje v AMOLF v Holandsku.

Cieľom jeho tímu je spustiť solídny prototyp do roku 2027: "Ak sa nám dovtedy nepodarí upútať niekoho záujem“, uzatvára výskumník, „Mohli sme si založiť vlastný start-up".

Rok 2024 v znamení sedemdesiatich rokov CERN-u a inovácií
WSense, takto sa internet vecí dostáva do morských hlbín