يقوم جهاز استشعار ميكانيكي جديد قام بتطويره فريق بقيادة مارك سيرا جارسيا ويوهان روبرتسون بتسخير الاهتزازات الصوتية لتشغيل نفسه، مما يلغي الحاجة إلى البطاريات. يمكن لهذا المستشعر متعدد الاستخدامات والصديق للبيئة، والمصنوع من السيليكون، التعرف على أصوات محددة لتطبيقات في البنية التحتية والأجهزة الطبية والصناعة. أعلاه هو نموذج أولي لجهاز استشعار الصوت. الائتمان: أستريد روبرتسون / ETH زيوريخ
تحتاج أجهزة الاستشعار المستخدمة في مراقبة البنية التحتية مثل الجسور والمباني، أو في الأجهزة الطبية مثل الأطراف الاصطناعية لضعاف السمع، إلى مصدر طاقة مستمر. عادة، يتم توفير هذه الطاقة عن طريق البطاريات، والتي يتم التخلص منها واستبدالها عند نفاذها، مما يؤدي إلى مشكلة نفايات كبيرة.
تتوقع دراسة للاتحاد الأوروبي أنه في عام 2025، سينتهي الأمر بـ 78 مليون بطارية في القمامة كل يوم .
يمكن الآن أن يوفر نوع جديد من أجهزة الاستشعار الميكانيكية، التي طورها باحثون بقيادة مارك سيرا جارسيا وأستاذ الجيوفيزياء في ETH يوهان روبرتسون، علاجًا. لقد تقدم مبتكروها بالفعل بطلب للحصول على براءة اختراع لاختراعهم وقد قدموا الآن المبدأ في مجلة المواد الوظيفية المتقدمة .
تتسبب موجات صوتية معينة في اهتزاز المستشعر
"يعمل المستشعر بطريقة ميكانيكية بحتة ولا يحتاج إلى مصدر طاقة خارجي. يقول روبرتسون: "إنها ببساطة تستخدم الطاقة الاهتزازية الموجودة في الموجات الصوتية".عندما يتم نطق كلمة معينة أو يتم إنشاء نغمة أو ضوضاء معينة، فإن الموجات الصوتية المنبعثة - وهذه فقط - تتسبب في اهتزاز المستشعر. وتكون هذه الطاقة كافية لتوليد نبضة كهربائية صغيرة تعمل على تشغيل جهاز إلكتروني تم إيقاف تشغيله.
النموذج الأولي الذي طوره الباحثون في مختبر روبرتسون في حديقة الابتكار السويسرية بزيوريخ في دوبندورف قد حصل بالفعل على براءة اختراع. ويمكنه التمييز بين الكلمات المنطوقة "ثلاثة" و"أربعة". نظرًا لأن كلمة "أربعة" تحتوي على طاقة صوتية أكثر يتردد صداها مع المستشعر مقارنة بكلمة "ثلاثة"، فإنها تتسبب في اهتزاز المستشعر، في حين أن كلمة "ثلاثة" لا تفعل ذلك. وهذا يعني أن كلمة "أربعة" يمكنها تشغيل الجهاز أو تشغيل المزيد من العمليات. لن يحدث شيء مع "ثلاثة".
يجب أن تكون الإصدارات الأحدث من المستشعر قادرة على التمييز بين ما يصل إلى اثنتي عشرة كلمة مختلفة، مثل أوامر الآلة القياسية مثل "on" و"off" و"up" و"down". وبالمقارنة مع النموذج الأولي الذي يبلغ حجمه حجم كف اليد، فإن الإصدارات الجديدة أيضًا أصغر بكثير - بحجم إصبع اليد تقريبًا - ويهدف الباحثون إلى تصغيرها بشكل أكبر.
المواد الفوقية دون مواد إشكالية
المستشعر هو ما يُعرف بالمادة الخارقة: ليست المادة المستخدمة هي التي تمنح المستشعر خصائصه الخاصة، بل الهيكل. يقول سيرا جارسيا: "يتكون جهاز الاستشعار الخاص بنا من السيليكون تمامًا، ولا يحتوي على معادن ثقيلة سامة أو أي أتربة نادرة، كما تفعل أجهزة الاستشعار الإلكترونية التقليدية".يشتمل المستشعر على العشرات من اللوحات المتماثلة أو ذات البنية المتشابهة والمتصلة ببعضها البعض عبر أشرطة صغيرة. تعمل قضبان التوصيل هذه مثل الينابيع. استخدم الباحثون النمذجة الحاسوبية والخوارزميات لتطوير التصميم الخاص لهذه اللوحات ذات البنية الدقيقة ومعرفة كيفية ربطها ببعضها البعض. إن النوابض هي التي تحدد ما إذا كان مصدر صوت معين يحرك المستشعر أم لا.
البنية التحتية للرصد
تشمل حالات الاستخدام المحتملة لهذه المستشعرات الخالية من البطاريات مراقبة الزلازل أو المباني. يمكنهم، على سبيل المثال، التسجيل عندما يتطور في المبنى صدع يحتوي على الصوت المناسب أو طاقة الأمواج.وهناك أيضًا اهتمام بأجهزة استشعار خالية من البطاريات لمراقبة آبار النفط التي تم إيقاف تشغيلها. يمكن أن يتسرب الغاز من التسربات في الآبار، مما ينتج عنه صوت هسهسة مميز. يمكن لمثل هذا المستشعر الميكانيكي اكتشاف هذه الهسهسة وإطلاق إنذار دون استهلاك الكهرباء بشكل مستمر - مما يجعله أرخص بكثير ويتطلب صيانة أقل بكثير.
جهاز استشعار للزراعة الطبية
ترى سيرا جارسيا أيضًا تطبيقات في الأجهزة الطبية، مثل زراعة القوقعة الصناعية. تتطلب هذه الأطراف الاصطناعية للصم مصدر طاقة دائم لمعالجة الإشارات من البطاريات. يقع مصدر الطاقة خلف الأذن، حيث لا يوجد مكان لحزم البطاريات الكبيرة. وهذا يعني أنه يجب على مرتدي هذه الأجهزة استبدال البطاريات كل اثنتي عشرة ساعة. ويمكن أيضًا استخدام المستشعرات الجديدة للقياس المستمر لضغط العين. ويقول: "لا توجد مساحة كافية في العين لجهاز استشعار مزود ببطارية".ويضيف سيرا جارسيا: "هناك قدر كبير من الاهتمام بأجهزة استشعار الطاقة الصفرية في الصناعة أيضًا". ولم يعد يعمل في ETH، بل في AMOLF، وهو معهد أبحاث عام في هولندا، حيث يقوم هو وفريقه بتحسين أجهزة الاستشعار الميكانيكية. هدفهم هو إطلاق نموذج أولي قوي بحلول عام 2027. "إذا لم نتمكن من جذب اهتمام أي شخص بحلول ذلك الوقت، فقد نؤسس شركتنا الناشئة الخاصة بنا."
