Die revolutionären Sensoren, die Millionen von Batterien einsparen können

I sensori Die Anzahl der medizinischen Geräte und Geräte zur Infrastrukturüberwachung erfordert konstante Energie, die in der Regel durch Batterieflotten bereitgestellt wird, die dazu bestimmt sind, leer zu werden und ersetzt zu werden: Laut einer aktuellen Studie der Europäischen Union werden wir uns bis 2025 ungefähr verändern 78 Millionen Akkumulatoren pro Tag.

Angesichts der wachsenden Nachfrage nach Geräten always-onAufgrund des massiven Einsatzes von Deep-Learning- und KI-Anwendungen zur Steuerung und Überwachung wird die Suche nach einer alternativen Lösung zu batteriebetriebenen Sensoren immer dringlicher.

Ein in diesem Sinne sehr vielversprechendes Experiment stammt von einer Forschergruppe aus Polytechnikum Zürich geführt von Marc Serra-​Garcia und der ETH-Professor für Geophysik Johan Robertsson: Das Team entwickelte eine völlig passiver mechanischer Sensor, in der Lage, Deep-Learning-Aufgaben auszuführen, ohne Energie zu verbrauchen.

Robotik, der „Farb“-Sensor, der die Empfindlichkeit der Haut nachahmt
Auf diese Weise haben KI-basierte Systeme moralische Werte verborgen …

Always-on-Sensoren ohne Batterien: die Studie

Eine Forschungsgruppe der ETH Zürich hat gerade veröffentlicht „Fortschrittliche Funktionsmaterialien“ eine Studie, die die Funktionsweise von a beschreibt brandneuer Sensor Dies könnte die Welt der integrierten batteriebetriebenen Geräte wie medizinische Implantate und KI-betriebene intelligente Geräte revolutionieren.

I Überwachungssysteme installiert an Gebäuden und Infrastrukturen, medizinischen Geräten und Unterwasser-IoT-Geräte, die Temperatur und CO2 im Meerwasser messen erfordern konstante Energie um zu funktionieren. Derzeit wird diese Energie hauptsächlich durch bereitgestellt Batterie die laut einer aktuellen EU-Studie im Durchschnitt zwei Jahre (oder weniger) dauern.

Laut der Untersuchung des Forschungsprojekts Aktiviert, das wird noch Jahre dauern die Produktion von Hunderten Millionen Batterien jedes Jahr: Wenn Sie nicht daran arbeiten, die Zeit zu verlängern Batterielebensdauer, lesen wir in der Studie: „bis 2025 werden wir jeden Tag rund 78 Millionen wegwerfen “, wenn man nur diejenigen berücksichtigt, die sich ernähren IoT-Geräte.

Verlängern Sie die Akkulaufzeit Es ist sicherlich eine Lösung, aber es gibt auch diejenigen, die das ehrgeizige Projekt verfolgen Der Einsatz von Batterien entfällt vollständig für Always-on-intelligente Geräte: Dies ist der Fall des ETH-Forschendenteams um Marc Serra-​Garcia e Johan Robertsson, das kürzlich den ersten passiven phononischen Sensor entwickelt (und patentiert) hat, der maschinelle Lernaufgaben ausführen kann.

"Intelligente" Kontaktlinsen, um eine neue Welt zu entdecken
Der Heilige Gral der grünen Chemie: schadstofffreie Fluorchemikalien

Der Phononensensor, ein mechanisches neuronales Netzwerk

Il phononischer Sensor von ETH-Forschern entwickelt wurde, ist ein komplexer mechanischer Rechner, der in der Lage ist, und zu aktivieren Geräusche erkennen auf analoge und völlig passive Weise dank seiner besonderen Struktur. Daher erklärt Serra-​Garcia: „besteht ausschließlich aus Silizium und enthält weder giftige Schwermetalle noch seltene Erden, wie dies bei herkömmlichen elektronischen Sensoren der Fall ist".

diese mechanisches neuronales Netzwerk, Wie es in dem Papier beschrieben wird, besteht es aus Dutzenden von Mikrostrukturierte Platten identisch oder ähnlich, durch winzige Verbindungsstäbe miteinander verbunden, die als dienen weich und sind mit Göttern verbunden Aktoren piezoelektrische.

Um das komplexe Design der Mikroplatten zu entwickeln (wir sprechen von einem 380-µm-Siliziumwafer), verwendeten die Forscher Computermodelle und Algorithmen, die die Ausgewogenheiten und Geometrien der Mikrostrukturen des Metamaterials definierten. Das Ergebnis ist ein analoger Computer fähig, Aufgaben auszuführen automatisches Lernen und erreichen eine Genauigkeit von mehr als 90 Prozent in Bezug auf die binäre Klassifizierung.

Das auslösende Ereignis, das den Reiz in ein elektrisches Signal umwandelt, ist das suono. Oder besser gesagt, sie sind es einzelne Wörter von einem Menschen geäußert: der phononische Sensor, der in den Laboren von entwickelt wurde Switzerland Innovation Park Zürich von Dübendorf beschränkt sich nicht auf das Filtern von Klängen, sondern konzentriert sich aufpassive Verarbeitung komplexer Ereignisse.

Ein aus 81 Elementen bestehendes neuronales Netzwerk sei in der Lage, zwischen einzelnen Aktivierungswörtern (zum Beispiel „drei“ und „vier“) zu unterscheiden, heißt es in der Patentanmeldung.

Nachhaltigkeit der Bergbauindustrie: eine immer dringlichere Herausforderung
Kreislaufwirtschaft und Elektroautos: Die Zukunft ist viel näher

Der Nullleistungssensor, der Wörter unterscheiden kann

I intelligente Geräte wie Schrittzähler und Herzschrittmacher haben die Aufgabe, a Auslöseereignis Umwandlung des Reizes in ein elektrisches Signal. Allerdings ist die Erkennungsaktivität auch dann mit einem Energieverbrauch verbunden, wenn sich die Geräte im Standby-Modus befinden.

Das an der ETH entwickelte mechanische neuronale Netz hingegen kann ein bestimmtes Ereignis völlig passiv erkennen, d.h Null Energieverbrauch.

La Sensorreaktion Es wird durch die Kraft des Eingangsreizes ausgelöst: Sobald das Ereignis erkannt wird, erfolgt die Reaktion nutzt den Energieeintrag einen Stromkreis mit Strom versorgen: „Der Sensor funktioniert rein mechanisch und benötigt keine externe Stromquelle“, erklärt Professor Johan Robertsson, „Es nutzt einfach die in Schallwellen enthaltene Schwingungsenergie".

Immer wenn ein bestimmtes Wort ausgesprochen oder ein bestimmter Ton oder Geräusch erzeugt wird, wird das Schallwellen Die emittierte Strahlung bringt den Sensor zum Vibrieren. Diese Energie reicht dann aus, um eine zu erzeugen winziger elektrischer Impuls das ein ausgeschaltetes elektronisches Gerät einschaltet.

Der Prototyp wurde in Dübendorf im Kanton Zürich entwickelt kann zwischen Wörtern unterscheiden Sagen Sie „drei“ und „vier“: Da das Wort „vier“ mehr Schallenergie hat, die mit dem Sensor in Resonanz tritt als das Wort „drei“, vibriert es den Sensor, während dies bei „drei“ nicht der Fall ist.

Das bedeutet, erklären die Wissenschaftler, dass man mit dem Wort „vier“ ein Gerät einschalten oder weitere Prozesse auslösen kann, während mit „drei“ nichts passiert.

Künstliche Intelligenz und autonomes Fahren: Der Motorsport tappt im Dunkeln
Wasser, Gras und Mensch: die kognitiven Grenzen der Künstlichen Intelligenz

Serra-Garcia: ein solider Prototyp bis 2027

Neuere Varianten des Sensors, erklären die Forscher, sollen unterscheiden können bis zu zwölf verschiedene Wörter und sie werden viel kleiner sein als der patentierte Prototyp, der die Größe einer Handfläche hat: Wie die Wissenschaftler erklären, besteht das Ziel darin miniaturisieren Technologie.

Die möglichen Anwendungsfälle für i revolutionäre batterielose Sensoren schließe die Erdbeben- und Gebäudeüberwachung: Sie könnten zur Aufzeichnung von Wellenenergie oder zur Erkennung von Rissen im Beton eingesetzt werden.

Es besteht auch Interesse an der Überwachung von verlassene Ölquellen, erklären die Autoren der Studie: Das aus den Brunnen austretende Gas erzeugt ein charakteristisches Zischen, und ein solcher Sensor könnte es erkennen, ohne ständig Strom zu verbrauchen.

Serra-​Garcia sieht auch Anwendungen bei Muttermalen medizinische GeräteB. Cochlea-Implantate, die für die Signalverarbeitung eine permanente Stromversorgung über sehr kleine Batterien benötigen, die alle 12 Stunden ausgetauscht werden müssen.

"Auch in der Industrie besteht großes Interesse an Nullenergiesensoren„, fügt Serra-Garcia hinzu, die jetzt bei AMOLF in den Niederlanden arbeitet.

Das Ziel seines Teams ist es bis 2027 einen soliden Prototyp auf den Markt bringen"Wenn es uns bis dahin nicht gelungen ist, irgendjemandes Interesse zu wecken“, schlussfolgert der Forscher, „Wir konnten unser eigenes Start-up gründen".

Ein Jahr 2024 im Zeichen von siebzig Jahren CERN und Innovation
WSense, so erreicht das Internet der Dinge die Tiefen des Meeres