Os sensores revolucionários que podem economizar milhões de baterias

I sensores de dispositivos médicos e aqueles utilizados para monitorização de infra-estruturas requerem energia constante, que é geralmente fornecida por frotas de baterias destinadas a esgotar-se e a ser substituídas: de acordo com um estudo recente da União Europeia, até 2025 transformaremos aproximadamente 78 milhões de acumuladores por dia.

Considerando a crescente demanda por dispositivos always-on, devido em parte ao uso massivo de aplicações de aprendizagem profunda e IA para controlo e monitorização, encontrar uma solução alternativa aos sensores alimentados por bateria é uma questão cada vez mais urgente.

Uma experiência muito promissora neste sentido vem de um grupo de pesquisadores do Politécnico de Zurique guiado por Marc Serra-Garcia e o professor de geofísica da ETH Johan Robertsson: a equipe desenvolveu um sensor mecânico completamente passivo, capaz de realizar tarefas de aprendizagem profunda sem consumir energia.

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Sensores sempre ligados sem baterias: o estudo

Um grupo de pesquisa da ETH Zurich acaba de publicar em “Materiais Funcionais Avançados” um estudo que descreve o funcionamento de um sensor novo que poderia revolucionar o mundo dos dispositivos integrados alimentados por bateria, como implantes médicos e dispositivos inteligentes alimentados por IA.

I sistemas de monitoramento instalados em edifícios e infraestruturas, dispositivos médicos e aqueles subaquáticos de IoT que medem temperatura e CO2 nas águas oceânicas exigir energia constante para funcionar. Neste momento, esta energia é maioritariamente fornecida por bateria que, segundo um estudo recente da UE, duram em média dois anos (ou menos).

De acordo com a investigação do projeto de pesquisa Habilita, isso levará nos próximos anos a produção de centenas de milhões de baterias todos os anos: se você não trabalhar para prolongar o vida útil da bateria, lemos no estudo: “até 2025, jogaremos fora cerca de 78 milhões todos os dias ”, considerando apenas aqueles que alimentam Dispositivos IoT.

Prolongue a vida útil da bateria é certamente uma solução, mas há também quem prossiga o ambicioso projecto de eliminar completamente o uso de baterias para dispositivos inteligentes sempre ligados: é o caso da equipe de pesquisadores da ETH liderada por Marc Serra-Garcia e Johan Robertsson, que desenvolveu recentemente (e patenteou) o primeiro sensor fonônico passivo capaz de realizar tarefas de aprendizado de máquina.

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O sensor fônon, uma rede neural mecânica

Il sensor fonônico desenvolvida por pesquisadores da ETH é uma calculadora mecânica complexa capaz de ativar e reconhecer sons de forma analógica e totalmente passiva graças à sua estrutura particular. Portanto, explica Serra-​Garcia, “consiste exclusivamente em silício e não contém metais pesados ​​tóxicos nem terras raras, como fazem os sensores eletrônicos convencionais".

Este rede neural mecânica, conforme descrito no artigo, é composto por dezenas de placas microestruturadas idênticas ou semelhantes, ligadas entre si por minúsculas barras de ligação que funcionam como macio e estão conectados a deuses atuadores piezoelétrico.

Para desenvolver o design complexo das microplacas (estamos falando de um wafer de silício de 380 µm), os pesquisadores utilizaram modelos computacionais e algoritmos que definiram os equilíbrios e geometrias das microestruturas do metamaterial. O resultado é um computador analógico capaz de realizar tarefas aprendizado automático e alcançar mais de 90% de precisão em termos de classificação binária.

O evento desencadeante, aquele que converte o estímulo em sinal elétrico, é o soar. Ou melhor, são eles palavras únicas proferida por um ser humano: o sensor fonônico desenvolvido nos laboratórios de Suíça Innovation Park Zurique de Dübendorf não se limita a filtrar sons, mas concentra-se emprocessamento passivo de eventos complexos.

Uma rede neural composta por 81 elementos, afirma o pedido de patente, é capaz de distinguir entre palavras de ativação individuais (por exemplo, “três” e “quatro”).

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O sensor de potência zero que pode distinguir palavras

I dispositivos inteligentes como pedômetros e marca-passos têm a função de detectar um evento desencadeador convertendo o estímulo em um sinal elétrico. A atividade de detecção, entretanto, envolve consumo de energia mesmo quando os dispositivos estão em standby.

A rede neural mecânica desenvolvida na ETH, por outro lado, pode detectar um evento específico de forma totalmente passiva, com um consumo zero de energia.

La resposta do sensor é acionado pelo poder do estímulo de entrada: uma vez detectado o evento, a resposta usa entrada de energia para alimentar um circuito elétrico: “O sensor funciona puramente mecanicamente e não requer fonte de alimentação externa”, explica o professor Johan Robertsson, “simplesmente usa a energia vibracional contida nas ondas sonoras".

Sempre que uma determinada palavra é pronunciada ou um determinado tom ou ruído é gerado, o ondas de som emitida faz com que o sensor vibre. Esta energia é então suficiente para gerar uma pequeno impulso elétrico que liga um dispositivo eletrônico desligado.

O protótipo desenvolvido em Dübendorf, no cantão de Zurique consegue distinguir entre palavras diga “três” e “quatro”: Como a palavra “quatro” tem mais energia sonora que ressoa com o sensor do que a palavra “três”, ela vibra o sensor, enquanto “três” não.

Isso significa, explicam os cientistas, que a palavra “quatro” pode ser usada para ligar um dispositivo ou desencadear processos adicionais, enquanto dizer “três” nada acontece.

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Serra-Garcia: um protótipo sólido até 2027

Variantes mais recentes do sensor, explicam os pesquisadores, devem ser capazes de distinguir até doze palavras diferentes e serão bem menores que o protótipo patenteado, que tem o tamanho da palma da mão: como explicam os estudiosos, o objetivo é miniaturizar tecnologia.

Os possíveis casos de uso para i sensores revolucionários sem bateria incluir o monitoramento de terremotos e edifícios: Eles podem ser usados ​​para registrar a energia das ondas ou para detectar quando uma fissura se desenvolve no concreto.

Há também interesse no monitoramento de poços de petróleo abandonados, explicam os autores do estudo: o gás que escapa dos poços produz um chiado característico, e um sensor desse tipo poderia detectá-lo sem consumir eletricidade constantemente.

Serra-​Garcia também vê aplicações em toupeiras dispositivos médicos, como os implantes cocleares, que requerem fonte de alimentação permanente para processamento de sinais através de baterias muito pequenas que precisam ser substituídas a cada 12 horas.

"Há grande interesse em sensores de energia zero também na indústria”, acrescenta Serra-Garcia, que hoje trabalha na AMOLF na Holanda.

O objetivo de sua equipe é lançar um protótipo sólido até 2027"Se até lá não conseguimos atrair o interesse de ninguém" finaliza o pesquisador, “poderíamos fundar nossa própria start-up".

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