Нові датчики, що працюють на звуці, можуть заощадити мільйони батарейок

Датчики, які використовуються для моніторингу інфраструктури, як-от мостів і будівель, або в медичних пристроях, як-от протези для людей із вадами слуху, потребують постійного джерела живлення. Як правило, це живлення забезпечується батареями, які утилізуються та замінюються, коли розряджаються, що призводить до величезної проблеми з відходами.

Дослідження ЄС прогнозує, що у 2025 році 78 мільйонів батарейок щодня викидатимуться на смітник.

Новий тип механічного датчика, розроблений дослідниками на чолі з Марком Серра-Гарсіа та професором геофізики ETH Йоханом Робертссоном, тепер може стати виправленням. Його творці вже подали заявку на патент на свій винахід і представили принцип у журналі Advanced Functional Materials.

Певні звукові хвилі викликають вібрацію датчика

«Датчик працює чисто механічно і не вимагає зовнішнього джерела енергії. Він просто використовує вібраційну енергію, що міститься у звукових хвилях», — говорить Робертссон.

Кожного разу, коли вимовляється певне слово або генерується певний тон чи шум, випромінювані звукові хвилі – і тільки вони – викликають вібрацію датчика. Тоді цієї енергії достатньо для генерації крихітного електричного імпульсу, який вмикає електронний пристрій, який був вимкнений.

Прототип, який дослідники розробили в лабораторії Робертссона в Швейцарському інноваційному парку Цюріха в Дюбендорфі, вже запатентовано. Він може розрізняти вимовлені слова «три» і «чотири». Оскільки слово «чотири» має більше звукової енергії, яка резонує з датчиком, порівняно зі словом «три», воно викликає вібрацію датчика, тоді як слово «три» – ні. Це означає, що слово «чотири» може вмикати пристрій або запускати подальші процеси. З «трійкою» нічого не станеться.

Новіші варіанти датчика повинні мати можливість розрізняти до дванадцяти різних слів, наприклад стандартні машинні команди, як-от «увімкнути», «вимкнути», «вгору» та «вниз». Порівняно з прототипом розміром з долоню, нові версії також набагато менші – приблизно з мініатюру – і дослідники прагнуть ще більше мініатюризувати їх.

Метаматеріал без проблемних речовин

Сенсор — це те, що називають метаматеріалом: особливі властивості датчика надає не використаний матеріал, а структура. «Наш датчик складається виключно з силікону і не містить ані токсичних важких металів, ані рідкоземельних елементів, як у звичайних електронних датчиках», — каже Серра-Гарсія.

Датчик складається з десятків ідентичних або схожих за структурою пластин, які з’єднані одна з одною за допомогою крихітних стрижнів. Ці сполучні планки діють як пружини. Дослідники використовували комп’ютерне моделювання та алгоритми, щоб розробити спеціальну конструкцію цих мікроструктурованих пластин і визначити, як їх прикріпити одна до одної. Саме пружини визначають, чи приводить датчик у рух певне джерело звуку чи ні.

Інфраструктура моніторингу

Потенційні випадки використання цих безбатарейних датчиків включають землетрус або моніторинг будівель. Вони можуть, наприклад, зареєструвати, коли в будівлі з’являється тріщина, яка має правильну звукову або хвильову енергію.

Існує також інтерес до безбатарейних датчиків для моніторингу виведених з експлуатації нафтових свердловин. Газ може витікати з витоків у свердловинах, створюючи характерний шиплячий звук. Такий механічний датчик міг би виявити це шипіння та викликати сигнал тривоги без постійного споживання електроенергії, що робить його набагато дешевшим і потребує значно меншого обслуговування.

Датчик для медичних імплантів

Серра-Гарсія також бачить застосування в медичних пристроях, таких як кохлеарні імплантати. Ці протези для глухих вимагають постійного живлення для обробки сигналу від батарейок. Їх блок живлення розташований за вухом, де немає місця для великих акумуляторів. Це означає, що власники таких пристроїв повинні замінювати батареї кожні дванадцять годин. Нові датчики також можна використовувати для безперервного вимірювання очного тиску. «В оці недостатньо місця для датчика з батареєю», — каже він.

«У промисловості також є великий інтерес до датчиків з нульовим споживанням енергії», — додає Серра-​Гарсія. Він більше не працює в ETH, а в AMOLF, державному дослідницькому інституті в Нідерландах, де він і його команда вдосконалюють механічні датчики. Їхня мета — запустити надійний прототип до 2027 року. «Якщо нам не вдасться зацікавити когось до того часу, ми могли б заснувати власний стартап».