Czujnik, nad którym pracują szwajcarscy naukowcy w ETH Zurich (zespół naukowców pod kierownictwem Marca Serry-Garcii i profesora geofizyki ETH Johana Robertssona), jest metamateriałem, który szczególne właściwości uzyskuje dzięki odpowiedniej strukturze materiału. Zdaniem ekspertów pasywne, wrażliwe na dźwięk czujniki będzie można w przyszłości wykorzystywać np. do monitorowania stanu różnego rodzaju budynków czy mostów, przewidywania trzęsień ziemi lub w niektórych urządzeniach medycznych. 

Ich zastosowanie mogłoby przynieść liczne korzyści, w tym tę najważniejszą – zmniejszone zużycie energii. Wynika to z tego, że tradycyjne czujniki używane do wyżej wymienionych zastosowań w rzeczywistości wymagają stałego zasilania. Energia do tego celu pochodzi zwykle z akumulatorów, które należy wymienić, kiedy tylko zaczynają mieć zbyt niskie napięcie. 

Z jednej strony generuje to koszty, a z drugiej – stwarza dodatkowy problem, który wiąże się z koniecznością utylizacji akumulatorów, co jest dość skomplikowanym procesem. Według szacunków Unii Europejskiej w połowie obecnej dekady każdego dnia do śmieci będzie trafiać nawet 78 mln baterii. Problemowi temu będzie można niebawem zaradzić, wykorzystując nowy typ czujnika mechanicznego, który został już zarejestrowany w ramach patentu.

Dźwięk, który powoduje określone zachowanie czujnika

Jak zapewniają jego twórcy, czujnik działa czysto mechanicznie i dlatego nie wymaga zewnętrznego źródła zasilania, a więc nie zużywa energii elektrycznej. Wykorzystuje jedynie energię wibracyjną, która jest zawarta w falach dźwiękowych.

Zasada działania tego czujnika jest dość nietypowa, a wręcz niesamowita. Po wypowiedzeniu określonego słowa lub wybrzmieniu konkretnego dźwięku lub hałasu w ich następstwie powstają fale dźwiękowe. I to one powodują wibracje nowego czujnika. Powstała w ten sposób energia wystarczy następnie do wygenerowania niewielkiego impulsu elektrycznego, który może np. włączyć urządzenie elektroniczne. 

Dokładną zasadę działania tego czujnika szczegółowo zaprezentowano w specjalistycznym czasopiśmie „Advanced Functional Materials”. Prototyp, który naukowcy opracowali w laboratorium Robertssona w Szwajcarskim Parku Innowacji w Dübendorf, został już opatentowany. 

Potrafi rozróżnić wypowiadane słowa „trzy” i „cztery”. Jak zauważyli naukowcy, to drugie słowo ma więcej energii dźwiękowej niż pierwsze. W efekcie wypowiedzenie słowa „cztery” powoduje rezonację czujnika. Powoduje to, że czujnik zaczyna wibrować. 

Słowo „trzy” nie powoduje żadnego rezonansu w czujniku. W efekcie więc to po wypowiedzeniu słowa „cztery” można włączyć urządzenie lub uruchomić inne procesy. Natomiast w przypadku słowa „trzy” nic takiego się nie dzieje.

Czujniki prądu odpowiadają na kilkanaście słów

Czujniki te są stale rozwijane i obecnie najnowsze wersje tych sensorów są w stanie rozróżniać aż do 12 słów, które standardowe wykorzystuje się podczas obsługi maszyny: „włącz”, „wyłącz”, „w górę” lub „w dół”. Czujniki są też znacznie mniejsze od pierwowzoru, który miał wielkość dłoni. Wymiary najnowszych wersji mają wielkość paznokcia kciuka. 

Co ciekawe, twórcy czujnika przekonują, że nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa w tym zakresie i możliwa jest jego dalsza miniaturyzacja.

Jak wspomniano wcześniej, czujnik jest tzw. metamateriałem. To jednak nie materiał, który zastosowano, decyduje o szczególnych właściwościach urządzenia, lecz jego struktura. Naukowcy zdradzają, że czujnik jest wykonany wyłącznie z silikonu i nie zawiera toksycznych metali ciężkich ani pierwiastków ziem rzadkich, jak ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych czujników elektronicznych. 

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Testy, pomiary i badania

System ultradźwiękowy z inteligentnymi układami drgającymi do e-zarządzania procesami łączenia materiałów dostosowany do wymagań Przemysłu 4.0

Opracowanie nowej generacji systemów zgrzewania i wycinania ultradźwiękowego o podwyższonej niezawodności i czasie życia układu drgającego wyposażonych w system zdalnej e-diagnostyki układu drgającego jest nowością na skalę światową.

Firmy

Pionierska metoda badania ultradźwiękowego

Po latach prowadzenia prac badawczych i rozwojowych NSK zmienia wartość podstawowej obciążalności wielu firmowych łożysk (bez wprowadzania zmian konstrukcyjnych i materiałowych), odpowiadającą nawet dwukrotnemu wzrostowi równoważnej powierzchniowej trwałości zmęczeniowej.

Czujnik składa się z kilkudziesięciu płytek o identycznej lub podobnej strukturze, połączonych ze sobą maleńkimi sieciami. Połączone ze sobą nitki działają jak sprężyny. Naukowcy – korzystając z modeli komputerowych i specjalnie stworzonych algorytmów – opracowali specjalną konstrukcję tych mikrostrukturalnych płytek i sposób, w jaki są one ze sobą połączone. Sprężyny te mają również decydujący wpływ na to, czy dane źródło dźwięku aktywuje czujnik, czy nie.

Wstępne zainteresowanie ze strony różnych branż

Czujniki reagujące na dźwięk cieszą się już wstępnym zainteresowaniem przemysłu. Głównym magnesem jest oczywiście zerowy pobór energii. Mogłyby być wykorzystane np. do monitorowania pęknięć w budynkach, które generują dźwięki o określonej energii. 

Istnieje również zainteresowanie czujnikami bezbateryjnymi do monitorowania zlikwidowanych odwiertów naftowych. Gaz może ulatniać się z pozostałych otworów wiertniczych, wydając charakterystyczny syczący dźwięk. Taki czujnik mechaniczny mógłby wykryć to syczenie i uruchomić alarm bez ciągłego zużywania energii elektrycznej, co czyni go znacznie tańszym i wymagającym znacznie mniej konserwacji rozwiązaniem niż inne, wykorzystywane metody.

Innym potencjalnym zastosowaniem czujników bez baterii są urządzenia medyczne, np. implanty ślimakowe. Te urządzenia dla niesłyszących wymagają stałego zasilania z baterii. Ich zasilanie umieszczono za uchem, gdzie nie ma miejsca na duże akumulatory. Oznacza to, że użytkownicy takich urządzeń muszą wymieniać baterie co 12 godzin. Nowatorskie czujniki będzie można również wykorzystać np. do ciągłego pomiaru ciśnienia w oku.

Żeby jednak można było stosować je już w rzeczywistych warunkach i mieć pewność, że nie zawiodą, konieczne są dalsze prace badawcze nad nimi i kolejne testy. Dlatego też zespół twórców nie pracuje już w ETH Zurich, lecz kontynuuje prace nad czujnikami mechanicznymi w publicznym centrum badawczym Amolf w Holandii. 

Celem jest stworzenie i przekazanie do testów w rzeczywistych warunkach wytrzymałego prototypu najpóźniej do 2027 r.

Źródło: ETH Zürich