Los sensores revolucionarios que pueden ahorrar millones de baterías

I sensori Los dispositivos médicos y los utilizados para el seguimiento de infraestructuras requieren energía constante, que generalmente se suministra mediante flotas de baterías destinadas a agotarse y ser reemplazadas: según un estudio reciente de la Unión Europea, para 2025 transformaremos aproximadamente 78 millones de acumuladores al día.

Teniendo en cuenta la creciente demanda de dispositivos siempre activaDebido en parte al uso masivo de aplicaciones de aprendizaje profundo e inteligencia artificial para control y monitoreo, encontrar una solución alternativa a los sensores que funcionan con baterías es un tema cada vez más urgente.

Un experimento muy prometedor en este sentido proviene de un grupo de investigadores de Politécnico de Zúrich guiado por Marc Serra-​García y el profesor de geofísica de la ETH Johan Robertsson: el equipo desarrolló un sensor mecánico completamente pasivo, capaz de realizar tareas de aprendizaje profundo sin consumir energía.

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Sensores siempre encendidos sin baterías: el estudio

Un grupo de investigación de ETH Zurich acaba de publicar en “Materiales funcionales avanzados” un estudio que describe el funcionamiento de un sensor nuevo lo que podría revolucionar el mundo de los dispositivos integrados que funcionan con baterías, como los implantes médicos y los dispositivos inteligentes impulsados ​​por IA.

I sistemas de monitoreo instalados en edificios e infraestructuras, dispositivos médicos y IoT submarinos que miden la temperatura y el CO2 en aguas oceánicas. exigir energía constante para poder funcionar. Actualmente, esta energía es proporcionada principalmente por batería que, según un estudio reciente de la UE, duran una media de dos años (o menos).

Según el proyecto de investigación HABILITA, esto llevará en los próximos años la producción de cientos de millones de baterías cada año: si no trabajas para alargar el vida útil de la batería, leemos en el estudio, “en 2025 tiraremos alrededor de 78 millones cada día ”, considerando sólo aquellos que alimentan Dispositivos de IoT.

Prolongar la duración de la batería ciertamente es una solución, pero también hay quienes persiguen el ambicioso proyecto de eliminar completamente el uso de baterías para dispositivos inteligentes siempre encendidos: este es el caso del equipo de investigadores de ETH liderado por Marc Serra-​García e Johan Robertsson, que recientemente desarrolló (y patentó) el primer sensor fonónico pasivo capaz de realizar tareas de aprendizaje automático.

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El sensor de fonones, una red neuronal mecánica

Il sensor fonónico desarrollado por investigadores de ETH es una compleja calculadora mecánica capaz de activar y reconocer sonidos de forma analógica y completamente pasiva gracias a su particular estructura. Por lo tanto, explica Serra-​García, “consiste exclusivamente en silicio y no contiene metales pesados ​​tóxicos ni tierras raras, como sí lo hacen los sensores electrónicos convencionales..

Este red neuronal mecánica, como se describe en el artículo, se compone de docenas de placas microestructuradas idénticos o similares, conectados entre sí por pequeñas barras conectoras que funcionan como suave y están conectados con los dioses actuadores piezoeléctrico.

Para desarrollar el complejo diseño de las microplacas (estamos hablando de una oblea de silicio de 380 µm), los investigadores utilizaron modelos informáticos y algoritmos que definieron los equilibrios y geometrías de las microestructuras del metamaterial. El resultado es un computadora analógica capaz de realizar tareas aprendizaje automático y lograr una precisión superior al 90 por ciento en términos de clasificación binaria.

El evento desencadenante, el que convierte el estímulo en una señal eléctrica, es el suono. O mejor dicho, son los solo palabras pronunciado por un ser humano: el sensor fonónico desarrollado en los laboratorios de Suiza Innovation Park Zúrich de Dübendorf no se limita a filtrar sonidos, sino que se concentra enprocesamiento pasivo de eventos complejos.

Según la solicitud de patente, una red neuronal compuesta por 81 elementos es capaz de distinguir entre palabras de activación individuales (por ejemplo, "tres" y "cuatro").

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El sensor de potencia cero que puede distinguir palabras

I dispositivos inteligentes como los podómetros y los marcapasos tienen la tarea de detectar una evento desencadenante convirtiendo el estímulo en una señal eléctrica. La actividad de detección, sin embargo, implica un consumo de energía incluso cuando los dispositivos están en espera.

La red neuronal mecánica desarrollada en ETH, por otro lado, puede detectar un evento específico de forma completamente pasiva, con un consumo de energía cero.

La respuesta del sensor Se activa por el poder del estímulo de entrada: una vez que se detecta el evento, la respuesta utiliza entrada de energía para alimentar un circuito eléctrico: “El sensor funciona de forma puramente mecánica y no requiere una fuente de alimentación externa.”, explica el profesor Johan Robertsson, “simplemente utiliza la energía vibratoria contenida en las ondas sonoras..

Cada vez que se pronuncia una determinada palabra o se genera un tono o ruido particular, el ondas de sonido emitida hace que el sensor vibre. Esta energía es entonces suficiente para generar una pequeño impulso eléctrico que enciende un dispositivo electrónico apagado.

El prototipo desarrollado en Dübendorf, en el cantón de Zúrich puede distinguir entre palabras diga "tres" y "cuatro": debido a que la palabra "cuatro" tiene más energía sonora que resuena con el sensor que la palabra "tres", hace vibrar el sensor, mientras que "tres" no.

Esto significa, explican los científicos, que con la palabra "cuatro" se puede encender un dispositivo o iniciar otros procesos, mientras que con "tres" no pasa nada.

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Serra-García: un prototipo sólido para 2027

Las nuevas variantes del sensor, explican los investigadores, deberían poder distinguir hasta doce palabras diferentes y serán mucho más pequeños que el prototipo patentado, que tiene el tamaño de una palma: como explican los estudiosos, el objetivo es miniaturizar tecnología.

Los posibles casos de uso para i sensores revolucionarios sin batería incluir el monitoreo de terremotos y edificios: Podrían usarse para registrar la energía de las olas o para detectar cuándo se desarrolla una grieta en el concreto.

También hay interés en el seguimiento de pozos petroleros abandonados, explican los autores del estudio: el gas que se escapa de los pozos produce un silbido característico, y un sensor de este tipo podría detectarlo sin consumir electricidad constantemente.

Serra-​García también ve aplicaciones en lunares dispositivos médicos, como los implantes cocleares, que requieren una fuente de alimentación permanente para el procesamiento de señales mediante baterías muy pequeñas que deben reemplazarse cada 12 horas.

"También en la industria existe un gran interés por los sensores de energía cero”, añade Serra-García, que ahora trabaja en AMOLF en los Países Bajos.

El objetivo de su equipo es lanzar un prototipo sólido para 2027"Si hasta entonces no hemos conseguido atraer el interés de nadie", concluye el investigador, “podríamos fundar nuestra propia startup.

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