Захранван от звукови вълни сензор може да спести милиони батерии

Сензорите, следящи инфраструктура, например мостове или сгради, или тези, използвани в медицински устройства, изискват постоянно захранване. Енергията за това обикновено се осигурява от батерии, които се подменят веднага щом се изтощят. Това създава огромен проблем с отпадъците – проучване на ЕС прогнозира, че до 2025 г. всеки ден ще се изхвърлят по 78 милиона батерии.

Нов тип механичен сензор, разработен от изследователи, ръководени от Марк Серра-Гарсия и професора по геофизика от Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих (ETH Zurich) Йохан Робертсон, може да предостави решение на този проблем. Създателите на изобретението вече са подали документи за патентоването му и представят принципа му на работа в журнала Advanced Functional Materials.

Някои звукови вълни карат сензора да вибрира

“Сензорът работи чисто механически и не се нуждае от външен енергиен източник. Той просто използва енергията на вибрациите от звукови вълни”, казва Робертсон. Когато се изрече определена дума или се генерира конкретен тон или шум, се отделят звукови вълни, които карат сензора да вибрира. Тази енергия е достатъчна да произведе електрически импулс, които включва дадено изключено електрическо устройство.

Прототипът, който учените разработват в лабораторията на Робертсон в Швейцарския иновационен парк в Дюбендорф, вече е патентован. Той може да прави разлика между изговорените думи “three” и “four”. Тъй като думата “four” има по-голяма звукова енергия, която резонира със сензора, в сравнение с думата “three”, тя кара сензора да вибрира, докато “three” няма този ефект. Това означава, че думата “four” може да включи устройство или да задейства по-нататъшни процеси, а с “three” няма да се получи нищо.

По-новите варианти на сензора трябва да могат да различават до 12 думи, като стандартни машинни команди като “включено”, “изключено”, “увеличи” и “намали”. В сравнение с прототипа, който е с размер на човешка длан, новите версии са много по-малки – горе-долу с размера на нокът, като изследователите се стремят към допълнителна миниатюризация.

Метаматериал без проблемни вещества

Сензорът представлява метаматериал – не използваният материал, а по-скоро структурата дава специалните свойства на датчика. “Нашият сензор е изграден изцяло от силикон и не съдържа нито токсични тежки метали, нито каквито и да било редкоземни елементи, характерни за конвенционалните сензори”, обяснява Серра-Гарсия.

Сензорът се състои от дузини идентични пластини с подобна структура, които са свързани помежду си с малки ленти. Тези свързващи ленти функционират като пружини. Изследователите използват компютърно моделиране и алгоритми, за да разработят специалния дизайн на тези микроструктурирани пластини и за да определят как да ги свържат една с друга. Именно пружините определят дали конкретен източник на звук ще задвижи сензора или не.

Приложения

Сред потенциалните приложения на тези безбатерийни сензори е мониторингът на земетресения и сгради. Те могат например да регистрират напукването на сграда, когато появата на пукнатината е с подходящата звукова или вълнова енергия. Интерес към безбатерийните сензори има и за целите на мониторинга на изведени от експлоатация нефтени кладенци. От тях може да се отделя газ, при което се генерира характерен съскащ звук. Механичният сензор може да засече подобен звук и да задейства аларма, без постоянно да консумира електроенергия. Така разходите за мониторинг и необходимостта от поддръжка намаляват многократно. Серра-Гарсия вижда приложимост и в медицински устройства, например кохлеарни импланти.